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Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa Especial de Titulación: Implementación de un sistema de control automático de la bomba hidráulica para una máquina de compresión de ensayo de probetas de concretoAutor: Infantes Salinas Carlos Alberto para optar el Título Profesional de Ingeniero Electrónico Lima Perú 2019

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Page 1: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

Facultad de Ingeniería

Ingeniería Electrónica

Programa Especial de Titulación:

“Implementación de un sistema de

control automático de la bomba

hidráulica para una máquina de

compresión de ensayo de probetas de

concreto”

Autor: Infantes Salinas Carlos Alberto

para optar el Título Profesional de

Ingeniero Electrónico

Lima – Perú

2019

Page 2: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa
Page 3: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

DEDICATORIA

Este trabajo está dedicado a Dios por darme la

fortaleza y ser el ancla de fe para no desmayar en

mis objetivos.

A mis padres, por inculcarme el deseo de

superación en mi vida personal y profesional y a

mis hermanos por su apoyo moral.

A mi esposa, por ser el soporte en mi vida

personal y profesional, por estar conmigo en todo

momento brindándome el aliento necesario para

ser cada día mejor.

Page 4: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

RESUMEN

En el mercado peruano existen máquinas de compresión de modelos de control de

velocidad manual y modelos automáticos, para el caso de los modelos manuales requiere

la presencia del usuario durante todo el ensayo, existe errores frecuentes en la toma de

datos durante el ensayo y transcripción para los reportes; para el caso de los modelos

automáticos se ha ubicado que el 10% de estas unidades a nivel nacional se encuentran

inoperativos a causa de la discontinuidad de repuestos por parte del fabricante.

Este trabajo “Implementación de un sistema de control automático de la bomba hidráulica

para una máquina de compresión de ensayo de probetas de concreto”, está implementado

tanto en hardware y software de tal manera que permita controlar el encendido y apagado

de la bomba hidráulica, el control de flujo de aceite hidráulico (velocidad), monitoreo de

todo el ensayo en tiempo real y exportar los resultados a diferentes formatos; para ello, se

reusó toda la estructura metálica y la bomba hidráulica del diseño original, para lo cual se

implementó un nuevo sistema de control automático basado en un PLC Siemens S7-1200,

una válvula eléctrica reguladora de presión, un transductor de presión de 700 Bar con una

interfaz de software creado en Visual Estudio 2015. Con esta solución se logró que la

participación y presencia del usuario se minimice a colocar y retirar la muestra, que los

resultados obtenidos de los ensayos estén dentro del 1% que es la tolerancia permitida por

la NTP y ASTM concluyendo que es posible aplicar la reingeniería y automatización a

equipos descontinuados e inoperativos sin necesidad de adquirir máquinas nuevas.

Palabras Claves: Automatización de máquinas de compresión, ensayos de compresión,

control automático de bomba hidráulica.

Page 5: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

CARTA DE AUTORIZACIÓN

Page 6: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa
Page 7: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

INDICE

CAPÍTULO 1: ASPECTOS GENERALES .................................................................... 1

1.1 Descripción de la Problemática............................................................................. 1

1.2 Formulación del Problema .................................................................................... 3

1.3 Definición de Objetivos ......................................................................................... 3

1.3.1 Objetivo General ......................................................................................... 3

1.3.2 Objetivos Específicos .................................................................................. 4

1.4 Alcances y Limitaciones........................................................................................ 4

1.5 Justificación .......................................................................................................... 6

1.6 Población y muestra ............................................................................................. 6

1.7 Estado de Arte ...................................................................................................... 8

CAPÍTULO 2: MARCO TEÓRICO ............................................................................... 10

2.1 Ensayo de compresión ...................................................................................... 10

2.1.1 Definición .................................................................................................. 10

2.1.2 Preparación de probetas de concreto ....................................................... 11

2.1.3 Máquina de compresión ............................................................................ 12

2.1.4 Cálculo de resistencia ............................................................................... 14

2.1.5 Normativas ................................................................................................ 15

2.2 Sistema Hidráulico ............................................................................................. 16

2.2.1 Presión ..................................................................................................... 17

2.2.2 Elementos de un sistema hidráulico .......................................................... 18

2.2.3 Fluido hidráulico ........................................................................................ 19

2.2.4 Tanque Hidráulico. .................................................................................... 19

2.2.5 Bomba hidráulica ...................................................................................... 20

2.2.6 Mangueras / tubería .................................................................................. 21

2.2.7 Válvulas .................................................................................................... 22

2.2.8 Filtros ........................................................................................................ 23

Page 8: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

2.2.9 Pistón / cilindro.......................................................................................... 24

2.3 Indicador de presión ........................................................................................... 24

2.4 Transductor / Trasmisor de presión .................................................................... 25

2.5 Válvula de descarga y reguladora de presión. .................................................... 29

2.6 Controlador logíco programable (PLC) ............................................................... 31

CAPÍTULO 3: DESARROLLO DE LA SOLUCIÓN ...................................................... 34

3.1 Levantamiento de Información .......................................................................... 35

3.1.1 Proceso actual del ensayo ........................................................................ 36

3.1.2 Análisis actual de la máquina inoperativa.................................................. 36

3.1.3 Requerimiento del Cliente ......................................................................... 38

3.2 Diseño e Implementación de hardware.............................................................. 38

3.2.1 Diagrama de bloques del proceso de ensayo ........................................... 39

3.2.3 Características del diseño propuesto ........................................................ 41

3.2.4 Implementación de hardware .................................................................... 43

3.2.5 Diseño y programación del PLC. ............................................................... 56

3.3 Diseño y desarrollo de software .......................................................................... 66

3.3.1 Análisis y diseño de Base de datos ........................................................... 66

3.3.2 Diseño y programación del software de interfaz. ....................................... 69

3.4 Puesta en marcha y calibración ......................................................................... 81

3.4.1 Ajustes de parámetros de ensayo ............................................................. 81

3.4.3 Calibración en instalaciones del Cliente .................................................... 87

3.4.4 Límite de detección instrumental y límite de cuantificación ....................... 89

3.4.5 Control de velocidad de ensayo ................................................................ 92

CAPÍTULO 4: RESULTADOS ..................................................................................... 94

4.1 Resultados .......................................................................................................... 94

4.1.1 Ensayo de probetas de concreto ............................................................... 94

4.1.2 Exportación de datos ................................................................................ 96

Page 9: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

4.1.3 Certificado de calibración en instalaciones del cliente ............................... 97

4.2 Costos 98

4.3 Presupuesto comercial .................................................................................... 102

4.4 Flujo de caja .................................................................................................... 103

4.5 Cronograma .................................................................................................... 104

CONCLUSIONES ..................................................................................................... 105

RECOMENDACIONES ............................................................................................. 106

BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................... 107

GLOSARIO ............................................................................................................... 109

ANEXOS ................................................................................................................... 111

ANEXO A: Certificado de calibración celda patrón ................................................ 112

ANEXO B: Variables y programación PLC ............................................................ 117

ANEXO C: Hoja Técnica Transductor de Presión .................................................. 122

ANEXO D: Hoja Técnica del PLC Simatic S7-1200 Siemens ................................ 127

Page 10: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

INDICE DE FIGURAS

Figura 1: Muestra antes ensayo de compresión. ..............................................................10

Figura 2: Preparación de probeta de concreto .................................................................11

Figura 3: Máquina de compresión con control manual e indicador análogo .....................12

Figura 4: Máquina de compresión eléctrica con control de velocidad manual e indicador

análogo. ...........................................................................................................................13

Figura 5: Máquina de compresión eléctrica con control de velocidad manual e indicador

digital. ..............................................................................................................................13

Figura 6: Máquina de compresión eléctrica con control de velocidad automático e

indicador digital. ...............................................................................................................14

Figura 7: Muestra luego del proceso de ensayo de compresión.......................................15

Figura 8: Ley de Pascal ...................................................................................................16

Figura 9: Aplicación de la de ley de Pascal en una prensa hidráulica ..............................17

Figura 10: Sistema hidráulico referencial de una prensa hidráulica ..................................18

Figura 11: Modelo de tanque hidráulico referencial ..........................................................20

Figura 12: Bomba hidráulica eléctrica de control manual .................................................21

Figura 13: Manguera hidráulico de alta presión ...............................................................21

Figura 14: Válvula de alivio ..............................................................................................22

Figura 15: Válvula reguladora de presión .........................................................................23

Figura 16: Filtro de Retorno .............................................................................................23

Figura 17: Diseño de una bomba hidráulico manual ........................................................24

Figura 18: Indicador de presión digital .............................................................................25

Figura 19: Manómetro de presión análogo .......................................................................25

Figura 20: Unidad Digital ELE ..........................................................................................25

Figura 21: Manómetro de presión análogo tipo Tubo Bourdón .........................................26

Figura 22: Transductor de presión electrónico .................................................................26

Figura 23: Transductor/Trasmisor de presión piezo-eléctrico Ele .....................................28

Page 11: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

Figura 24: Diagrama básico de una Prensa Hidráulica ....................................................29

Figura 25: Diagrama hidráulico en modo normal ..............................................................30

Figura 26: Diagrama hidráulico en modo descarga ..........................................................30

Figura 27: Diagrama de procesos de un PLC ..................................................................32

Figura 28: Diagrama de bloques interno de un PLC.........................................................32

Figura 29: Cantidad de máquinas del cliente ...................................................................35

Figura 30: Máquina de compresión inoperativa ................................................................36

Figura 31: Diagrama de Procesos de Diseño Propuesto ..................................................39

Figura 32: Diagrama de Flujo del diseño propuesto .........................................................40

Figura 33: PLC SIMATIC S7-1200 ...................................................................................45

Figura 34: Trasmisor JUMO P30......................................................................................47

Figura 35: Instalación de válvula reguladora de presión ..................................................48

Figura 36: Control de velocidad manual en modelo semi automático ...............................49

Figura 37: Válvula reguladora de flujo hidráulico ..............................................................50

Figura 38: Correlación de voltaje Vs presión ....................................................................51

Figura 39: Diagrama de conexiones ................................................................................53

Figura 40 A,B: Conexionado de PLC ...............................................................................54

Figura 41: Conexiones parte posterior Panel ...................................................................55

Figura 42: Software de control y ensayo ..........................................................................55

Figura 43 A/B: TIA Portal - Pantalla Principal ...................................................................56

Figura 44: TIA Portal - Diseño bloques ............................................................................57

Figura 45 A/B/C: TIA Portal - Diseño de bloques de función ............................................58

Figura 46 .........................................................................................................................59

Figura 47 A/B: TIA Portal - Diseño de bloque de datos – Entradas y Salidas ...................59

Figura 48: TIA Portal -Variables DQ .................................................................................59

Figura 49: TIA Portal - Variables entradas Digitales DI ....................................................60

Figura 50: TIA Portal - Variables entradas Análogas AI ...................................................60

Page 12: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

Figura 51: Carga de programa PLC .................................................................................61

Figura 52: TIA Portal - Configuración de comunicación ...................................................62

Figura 53: TIA Portal - Conexión On-Line ........................................................................62

Figura 54: TIA Portal - Visualizar valores simulados ........................................................63

Figura 55: Diagrama de entradas y salida del PLC ..........................................................63

Figura 56: Gráfica de relación de Altitud Vs Presión atmosférica .....................................64

Figura 57: TIA Portal - Primera lectura de simulación (Escala Zero) ................................65

Figura 58: TIA Portal - Segunda lectura de simulación (Media escala) ............................65

Figura 59: TIA Portal - Tercera lectura de simulación (Escala Máxima) ...........................66

Figura 60: Base de datos - diseño de tablas ....................................................................68

Figura 61: Software - diseño de interfaz VE 2015 ............................................................69

Figura 62: Software - formulario ingreso al sistema .........................................................71

Figura 63: Software - formulario principal del sistema ......................................................72

Figura 64: Software - formulario de configuración de comunicación ................................73

Figura 65: Comunicación incorrecta .................................................................................74

Figura 66: Software - prueba de conexión .......................................................................75

Figura 67: Software - formulario configuración de parámetros de ensayo ........................76

Figura 68: Formulario de calibración ................................................................................77

Figura 69: Software - formulario de ensayo de probetas de concreto...............................78

Figura 70: Diagrama de flujo ............................................................................................78

Figura 71: Software - gráfica de ensayo ...........................................................................80

Figura 72: Gráfica donde se observa datos durante la etapa de no contacto con la

muestra............................................................................................................................81

Figura 73: Gráfica con datos desde el contacto con la muestra .......................................82

Figura 74: Software no detecta el 5% del nivel de falla ....................................................82

Figura 75: Software con nivel de falla corregido ...............................................................84

Figura 76: Calibración de máquina de compresión ..........................................................85

Page 13: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

Figura 77: Curva de Calibración de máquina de compresión ...........................................86

Figura 78: Calibración 2 de Máquina de compresión .......................................................88

Figura 79: Formulario de configuración de ensayo...........................................................92

Figura 80: Ensayo de probetas de concreto baja resistencia ...........................................95

Figura 81: Ensayo de probeta de concreto alta resistencia ..............................................95

Figura 82: Ensayo - Exportación de ensayos a Microsoft Excel .......................................96

Figura 83: Certificado de calibración ................................................................................97

Page 14: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

INDICE TABLAS

Tabla 1: Cantidad de máquinas del cliente ........................................................................7

Tabla 2: Cantidad de máquinas de estudio ........................................................................7

Tabla 3: Comparación especificaciones técnica PLC ......................................................44

Tabla 4: Comparación de Trasmisores de Presión...........................................................46

Tabla 5: Características del motor de la bomba hidráulica ...............................................49

Tabla 6: Características de válvula reguladora de flujo ....................................................50

Tabla 7: Voltaje de suministro Vs Presión del regulador de flujo ......................................51

Tabla 8: Rango de voltaje para regulador de flujo ............................................................52

Tabla 9: Distribución de pines en conector DIN del transductor de presión: .....................54

Tabla 10: Base de Datos – nombre de las tablas y claves primarias ................................67

Tabla 11: Base de datos - relaciones entre tablas ...........................................................68

Tabla 12: Nivel de acceso de usuarios.............................................................................70

Tabla 13: Tabla de Error de Calibración en laboratorio ....................................................87

Tabla 14: Tabla de Error de Calibración en instalaciones del cliente ...............................88

Tabla 15: Toma de datos de valor zero para hallar el límite de detección (LDI ................90

Tabla 16: Datos de cálculo de Límite de cuantificación (LC) ............................................91

Tabla 17: Velocidad de ensayo para dimensiones de probeta .........................................93

Tabla 18: Presupuesto - costo en etapa de análisis y diseño ...........................................98

Tabla 19: Presupuesto - costo en etapa de implementación y puesta en servicio ............98

Tabla 20: Presupuestos - costos en etapa de demostración y capacitación .....................99

Tabla 21: Presupuesto - costo de materiales e insumos ..................................................99

Tabla 22: Presupuesto - costo de software .................................................................... 100

Tabla 23: Presupuesto - costos de Instrumentación ....................................................... 100

Tabla 24: Presupuesto - costo de componentes eléctricos - electrónicos ...................... 101

Tabla 25: Presupuesto - costo de componentes metal mecánico................................... 101

Page 15: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

Tabla 26: Presupuesto - estimación de valor de venta del producto .............................. 102

Tabla 27: Presupuesto - precio de venta proyectado de todo el proyecto ...................... 102

Tabla 28: Presupuesto - Flujo de caja ............................................................................ 103

Tabla 29: Cronograma de actividades............................................................................ 104

Page 16: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

I

INTRODUCCIÓN

La insatisfacción del cliente, las diferentes expectativas de calidad y la aplicación de

estándares internacionales como la ISO 9000, 17025, entre otros, prácticamente han

obligado a las empresas proveedoras de equipos y servicios a implementar dichos

estándares en sus organizaciones. Implementar este sistema de gestión de la calidad

brinda a la empresa mayor competitividad, trazabilidad documentaria, eficiencia y mayor

notoriedad frente a sus competidores (Corrales, 2016, p.15). Así mismo Rincón (2002)

concluye “la competitividad de las empresas es el principal argumento de garantía de su

permanencia en el mercado” (p. 54).

Obtener y/o entregar resultados que cumpla especificaciones técnicas de estándares

nacionales e internacionales requiere muchas veces adquirir equipos importados; por ello,

en el sector de la ingeniería civil, materiales, minas y geotecnia es imprescindible que

instituciones como el Ministerio de transportes y comunicaciones (MTC) , Gobiernos

regionales, Municipalidades provinciales y distritales que realizan o supervisan obras

civiles, Universidades para su plan académico curricular y empresas privadas que brindan

servicios de ensayos deben tener como parte de su equipamiento una máquina de

Page 17: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

II

compresión para ensayos de probetas de concreto con control de velocidad manual o

automático que cumpla normas nacionales, americanas y/o europeas.

Pero, ¿qué pasaría si estas máquinas no garantizan y no ofrecen resultados e informes de

calidad?, o ¿Qué pasaría si estas máquinas se encuentren inoperativas por discontinuidad

de repuestos del fabricante?; por ello, se plantea el presente trabajo que está organizado

de la siguiente forma.

En el capítulo 1, se analiza la problemática de un determinado cliente utilizando la técnica

del árbol de problemas, permitiendo identificar las causas, el problema principal y las

consecuencias; asimismo se plantea implementar un sistema de control automático de la

bomba hidráulica de una máquina de compresión para ensayos de probetas de concreto.

En el capítulo 2, se analiza otros proyectos similares y se fundamenta conceptos

necesarios para entender que es un ensayo de compresión de probetas de concreto y los

componentes que forman parte de una máquina hidráulica.

En el capítulo 3, se desarrolla los 04 objetivos principales como son: el levantamiento de

información del estado de las máquinas inoperativas del cliente, la implementación del

hardware de la máquina, el diseño y desarrollo del software automático y por último la

puesta en marcha y calibración de la máquina de compresión.

En el capítulo 4, se describe los resultados obtenidos en la puesta en marcha y

calibraciones realizadas en el laboratorio y en el campo, y de esta manera asegurar que

los resultados estén dentro del 1% que es la tolerancia exigida por la NTP y la ASTM.

Page 18: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

1

CAPÍTULO 1

ASPECTOS GENERALES

1.1 Descripción de la Problemática

Una importante empresa constructora tiene 18 máquinas de compresión para ensayos de

probetas de concreto distribuido en diferentes obras a nivel nacional, 08 de ellas son

modelos automáticos y las 10 restantes son modelos semi automáticos, sin embargo, 02

de sus máquinas automáticas se encuentran inoperativos a causa de la discontinuidad de

repuestos por parte del fabricante, adicionalmente estás máquinas han quedado obsoletos

tecnológicamente en comparación con los modelos actuales que son completamente

automáticos y con software bien desarrollados.

En los modelos semi automáticos el control de velocidad es manual, es decir, el operador

debe estar presente durante todo el proceso de ensayo de la muestra, lo que origina

personal exclusivo únicamente para estos ensayos generando mayores costos laborales

para la empresa; en estos modelos el registro de datos y reportes de los ensayos se hace

de forma manual causando errores de toma de datos o mala praxis de manipulación de

datos.

Page 19: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

2

Por lo tanto, para actualizar estas máquinas obsoletas y la operatividad de otras, se debería

implementar un nuevo sistema de control automático de la bomba hidráulica, que cumpla

las normativas nacionales (NTP) e internacionales (ASTM) con un software para

computador de tal manera que permita controlar la máquina y reportar los ensayos desde

una interfaz del computador completamente automático e inclusive enviar cierta

información a un sistema de control de calidad del cliente para un mejor control de los

ensayos.

A continuación, se muestra una representación del árbol de problemas:

Árbol de problemas - (Fuente: Elaboración Propia)

Fuente: Elaboración propia

Control manual de

velocidad de la máquina

de compresión

Software con

características

muy básicas

CAUSAS Discontinuidad

de repuestos por

el fabricante

1. Ensayos de compresión de máquinas semi automáticos con

control de velocidad manual.

2. Software deficiente sin almacenamiento, monitoreo en

tiempo real y exportación de datos.

3. Máquinas inoperativas.

PROBL EMA

Presencia de personal usuario durante todo el ensayo de probetas de concreto. Uso de horas extras.

1.

EFECTOS

Inadecuado control de calidad, errores, pérdida y manipulación de datos.

2.

Page 20: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

3

1.2 Formulación del Problema

1.2.1 Problema General:

• ¿De qué manera se puede mejorar la calidad de los resultados y reportes del

proceso de ensayo de probetas de concreto con una mínima participación del

usuario e integrando dichos resultados al sistema de control de calidad del

cliente?

1.2.2 Problemas Específicos:

• ¿Cuál es el estado de operatividad de las máquinas de compresión automática

y semi automáticas del cliente?

• ¿De qué manera se puede reducir el tiempo de presencia del operador durante

el ensayo de una probeta de concreto?

• ¿De qué manera se puede diseñar un software que permita realizar un ensayo

desde el computador, que garantice los datos y resultados para un correcto

control de calidad de los ensayos de probetas de concreto?

• ¿Cómo se podría asegurar que los resultados de los ensayos de compresión

cumplan las normativas nacionales e internacionales?

1.3 Definición de Objetivos

1.3.1 Objetivo General

• Implementar un sistema de control de la bomba hidráulica para una máquina

de compresión, de tal manera que permita realizar un ensayo de probetas

de concreto de manera automática cumpliendo las especificaciones de

cliente, la NTP y ASTM.

Page 21: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

4

1.3.2 Objetivos Específicos

• Realizar levantamiento de información del procedimiento de ensayo que

realiza el cliente, evaluar sus requerimientos (mejoras) y realizar un

diagnóstico completo de la máquina de compresión automática y semi

automática.

• Diseñar e implementar un sistema eléctrico/electrónico que controle la

bomba hidráulica de manera automática y funcione como intermediario entre

la máquina y el software, reduciendo así la presencia del operador durante

el ensayo.

• Diseñar y crear una interfaz de software para computador que permita

configurar parámetros del ensayo, controlar automáticamente la bomba

hidráulica, visualizar y graficar el ensayo en tiempo real, almacenar los

resultados en una base de datos e imprimir y exportar los datos a formato

de hojas de cálculo, texto y sistema de gestión de calidad del cliente.

• Realizar puesta en marcha, procedimiento de ajuste y calibración de la

máquina de compresión haciendo uso de patrones trazables nacionales e

internacionales de tal manera que garantice que los resultados del ensayo

estén dentro 1% de error exigido por la ASTM Y NTP.

1.4 Alcances y Limitaciones

1.4.1 Alcances

• Este proyecto fue propuesto a una importante empresa constructora que

pretende automatizar sus procesos de ensayos de probetas de concreto para

sus 18 máquinas distribuidas en interior del País y que dichos resultados de

Page 22: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

5

los ensayos sean ingresados de manera automática a su sistema de control

de calidad.

• En una primera fase consiste en implementar un prototipo para demostrar el

cumplimiento de especificaciones solicitadas por el cliente, en una segunda

etapa se implementará en las 17 unidades restantes ubicados en diferentes

sucursales del Perú.

• Esta implementación sólo contempla el automatismo de control de velocidad

del flujo hidráulico en el sistema, no se contempla el control del

desplazamiento o posicionamiento (encoder) del cilindro/pistón.

• El presente proyecto está basado en el diseño, control electrónico y software,

no se incluye análisis y diseño hidráulico (fluidos) y diseño de estructuras

porque sería necesario un análisis profundo que no es objeto de estudio del

presente trabajo, sólo se menciona y se pretende que sirva como ayuda para

comprender el funcionamiento del sistema en general.

1.4.2 Limitaciones

• No se cuenta con diagrama electrónico de las tarjetas de la unidad digital,

razón por el cual no es posible hacer algún cambio o actualización al sistema

electrónico actual.

• Todas las máquinas se encuentran en instalaciones del cliente y algunas de

ellas en el interior del País, razón por el cual no se tiene la máquina a plena

disponibilidad para hacer las pruebas.

Page 23: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

6

1.5 Justificación

Con este proyecto se pretende mejorar el proceso de control de calidad de un

ensayo de probetas de concreto convirtiendo una máquina de compresión que se

encuentra obsoleta y/o descontinuada en una de tipo moderna y automática; para

lo cual, se implementará un sistema de control de velocidad de la bomba hidráulica

usando componentes como PLC, regulador de fluido automático, reguladores de

voltaje, electroválvulas, transductor de presión entre otros y además se desarrollará

un software para computador capaz de controlar el sistema de la bomba hidráulica

para movimiento ascendente y descendente del cilindro / pistón, configuración de

tipos de ensayos según NTP, ASTM y personalizados, visualizar un ensayo en

tiempo real, imprimir reportes incluyendo gráficas del ensayo.

El costo de automatización de este tipo de máquinas representa aproximadamente

el 40% en comparación con el valor comercial de un equipo nuevo importado de

USA y/o Europa, lo que representará ahorro económico al cliente para sus 18

máquinas ubicadas en todo el País.

Para H.W.Kessel este proyecto permitirá al área de mantenimiento de la empresa

a incrementar su facturación anual, asimismo, servirá como base técnica para

proponer a otras empresas la automatización de sus máquinas de compresión

manual.

1.6 Población y muestra

1.6.1 Población:

La población con la que se realiza este trabajo son las 18 máquinas de

compresión de ensayo de probetas de concreto que el cliente tiene en diferentes

obras a nivel nacional.

Page 24: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

7

Tabla 1: Cantidad de máquinas del cliente

Nota: Las 18 máquinas son del mismo fabricante.

Fuente: Elaboración propia

1.6.2 Muestra:

La muestra del presente trabajo son las 02 máquinas de compresión, es decir,

la muestra es considerada finita porque se conoce la cantidad de equipos

inoperativos y la cantidad de equipos para automatización.

Tabla 2: Cantidad de máquinas de estudio

Muestra Número de máquinas

Máquina de compresión semi

automáticas para

automatización

01 unidad

Máquinas de compresión

automáticas inoperativas para

automatización

01 unidad

Total de máquinas: 02 unidades

Fuente: Elaboración propia

Tipo de máquinas Número de Máquinas

Máquina de compresión semi

automáticas 10 unidades

Máquinas de compresión

automáticas 08 unidades

Total de máquinas: 18 unidades

Page 25: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

8

Un correcto análisis de estos 02 tipos de máquinas permitiría automatizar las

18 máquinas del cliente y en un futuro poder usar como base técnica para

otros clientes que tienen los mismos modelos a nivel nacional.

1.7 Estado de Arte

Según Rodriguez (2017) en su trabajo de fin de grado “Diseño e implementación de

la automática en un banco de ensayos a tracción” realizó una automatización de

una máquina antigua de ensayos a tracción mediante sistema Arduino y control

remoto (wifi). Esta implementación permitió la operatividad de la máquina y que los

alumnos de la Universidad puedan realizar sus prácticas de ensayos de materiales,

asimismo tener un control más exacto de los ensayos y una mayor versatilidad

funcional dentro del laboratorio.

Valdés (2017) en su publicación “Desarrollo y optimización de la interfaz para la

medición e interpretación de las pruebas de tensión en máquinas universales,

mediante el uso de la instrumentación virtual” logró implementar, desarrollar e

introducir una interfaz gráfica basada en LabView, SolidWorks y Arduino mediante

comunicación serial RS232 de bajo costo, permitiendo así tener un mejor control y

monitoreo de los ensayos de tracción, compresión y flexión. Sin embargo, en sus

conclusiones afirma que para una mejor velocidad de transferencia de datos

debería usarse comunicación ethernet.

Según Apaza (2016) en su tesis de grado “Diseño e implementación de un prototipo

electrónico de ultrasonido de bajo costo para determinar la calidad de probeta de

concreto por medios de ensayos no destructivo” llegó a demostrar que nuevas

tecnologías no destructivas como es el caso del ultrasonido se puede aplicar para

Page 26: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

9

ensayos de probetas de concreto permitiendo calificar el material sin llegar a la

destrucción de la muestra.

Manuel Rojas et al (2008) en el simposio de Metrología realizado en México,

presentaron un trabajo “Mejoras y evaluación operativa de una máquina de ensayos

a tracción y/o compresión” que consiste en adaptar una máquina de ensayos de

5kN a una de alta precisión para ser usada en la calibración de equipos de bajo

alcance y ensayos de aptitud para la calibración de máquinas realizadas por los

laboratorios secundarios de calibración. En este proyecto logran hacer un control

de velocidad a través de un motor de corriente directa mediante sistema de

regulación por ancho de pulso (PWM)

Martha Agredo et al (2015) publicaron “Diseño y pruebas de un sistema de

monitoreo y supervisión para una máquina universal de ensayos”, en este trabajo

lograron aplicar reingeniería en procesos de diseño hidráulico, electrónico y

software para la automatización de una máquina antigua y obsoleta obteniendo una

relación de voltios / carga de 0,2 v/ton (fuerza) y con resultados con precisión

promedio de 0.8%.

Page 27: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

10

CAPÍTULO 2

MARCO TEÓRICO

2.1 Ensayo de compresión

2.1.1 Definición

Un ensayo de compresión consiste en someter una muestra (probeta de hormigón)

tipo cilíndrica, cubo, viga o ladrillo a una fuerza vertical axial hasta que la muestra falle,

es decir, hasta donde la muestra haya sido capaz de soportar una presión vertical

(carga máxima). La máquina de compresión calcula el valor de resistencia soportado

por dicha muestra dividiendo la fuerza soportada por la muestra entre el área

superficial de la muestra; el valor de resistencia puede ser expresado en Kg/cm2, Kpa,

etc. Es de vital importancia en todo ensayo físico destructivo cumpla las normativas

nacionales (NTP) e internacionales (ASTM y BS) porque permite determinar la calidad

del concreto en toda obra de infraestructura civil.

Figura 1: Muestra antes ensayo de compresión.

(Fuente: www.instron.com)

Page 28: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

11

2.1.2 Preparación de probetas de concreto

Para realizar el ensayo de compresión de acuerdo a las normativas se debe preparar

dicha muestra usando moldes, accesorios y procedimientos de acuerdo a normativas

nacionales e internacionales.

(Fuente: http://www.acerosarequipa.com – Revista Construyendo)

Figura 2: Preparación de probeta de concreto

Page 29: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

12

2.1.3 Máquina de compresión

Para realizar la rotura de la probeta de concreto se pueden usar prensas hidráulicas,

entre los diferentes modelos tenemos:

➢ Máquinas de compresión con control de velocidad manual e indicador

análogo. Ver figura 3.

➢ Máquinas de compresión eléctrica con control de velocidad manual e

indicador análogo. Ver figura 4.

➢ Máquinas de compresión eléctrica con control de velocidad manual e

indicador digital. Ver figura 5.

➢ Máquinas de compresión eléctrica con control de velocidad automático e

indicador digital. Ver figura 6.

(Fuente: www.elvec.com.mx)

Figura 3: Máquina de compresión con control manual e indicador análogo

Page 30: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

13

(Fuente: www.ele.com)

(Fuente: www.ele.com)

Figura 4: Máquina de compresión eléctrica con control de velocidad manual e indicador análogo.

Figura 5: Máquina de compresión eléctrica con control de velocidad manual e indicador digital.

.

Page 31: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

14

2.1.4 Cálculo de resistencia

La resistencia se calcula dividiendo la carga máxima aplicada a la muestra entre el

área superficial de la muestra:

𝑹 =𝑭

𝑨 ; 𝑨 = (

𝝅𝑫𝟐

𝟒) = 𝝅𝒓𝟐

Donde:

R = Resistencia de ruptura a la compresión.

F = Carga máxima soportado por la muestra.

A = Área de sección transversal de la muestra

D = Diámetro de la muestra

(Fuente: www.ele.com)

Figura 6: Máquina de compresión eléctrica con control de velocidad automático e indicador digital.

Page 32: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

15

2.1.5 Normativas

(ASTM C 39/C 39M – 01), Este estándar describe el método, procedimientos y

cálculos de ensayo de compresión de muestras cilíndricas de concreto desde hace

80 años. Esta norma indica que el valor de resistencia a la compresión es un valor

indirecto que depende del tamaño y forma de la probeta. También indica que el

error máximo de lectura de un ensayo en máquinas hidráulicas no debe exceder del

+/- 1% del valor indicado en el patrón de referencia y la velocidad de ensayo debe

ser constante y sin paros a razón de 0.25 +/- 0.05 Mpa/s.

(NTP 339.034-2008). Esta norma técnica peruana está basada en la ASTM C39 y

ha sido adoptada por el INDECOPI para los ensayos de probetas de concreto

cilíndricas.

(Fuente: www.ibertest.es.com)

Figura 7: Muestra luego del proceso de ensayo de compresión.

Page 33: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

16

2.2 Sistema Hidráulico

Un sistema hidráulico está basado en el principio básico de la ley de pascal enunciado por

el físico matemático francés Blaise Pascal (1623-1662), que indica que la presión de un

fluido dentro de un recipiente cerrado de paredes indeformables se trasmite con la misma

intensidad a todas las direcciones y puntos del recipiente que lo contiene; es decir,

cualquier cambio de presión en un determinado punto se trasmite de igual forma en todos

los puntos sin que esta presión tenga variabilidad.

Si S2 tiene una fuerza mayor que S1 se genera una presión P=S2/A2 de igual presión que

S1/A1, si S1 tiene una fuerza mayor que S2 genera una presión P =S1/A1 de igual presión

que S2/A2.

Sin bien es cierto que Pascal descubrió la ley fundamental de la ciencia hidráulica bajo la

ecuación P = F/A. Fue Joseph Bramah (1749 – 1814) quien desarrolló la Prensa hidráulica

demostrando el principio de pascal, este dispositivo está basado en 02 cilindros de

diferente área comunicados entre sí a través de una tubería llena de un determinado fluido.

(Fuente: https://definicion.de/principio-de-pascal/

Figura 8: Ley de Pascal

Page 34: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

17

(Fuente: Carlos Saltos Medina)

2.2.1 Presión

La presión es un cálculo matemático que depende de la fuerza aplicada sobre el

área de una determinada sección. La presión en un sistema hidráulico es originada

por la resistencia al paso de flujo, es decir, la bomba produce flujo más no presión.

(Hidráulica básica 3.0, www.fluidpowerzone.com)

𝑃 =𝐹

𝑆

𝑃1 =𝐹1

𝑆1 𝑃2 =

𝐹2

𝑆2

𝐹1

𝑆1=

𝐹2

𝑆2 ; 𝐹2 = 𝐹1 𝑥

𝑆1

𝑆2

La fuerza puede expresarse según ley de Newton: F = M x a

Figura 9: Aplicación de la de ley de Pascal en una prensa hidráulica

Page 35: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

18

Donde: M = masa de un cuerpo a = aceleración de la gravedad con valor de 9.81 m/s2

Kgf Lbf

1 N = 0.1019716 0.224809

La presión puede expresarse en:

Bar Pa (Nm-1) PSI Kgf/cm2

1 mb = 1 x 10-3 100 1.45 x 10-2 1.02 x 10-3

2.2.2 Elementos de un sistema hidráulico

(Fuente: Finning Chile S.A - CAT)

Algunos de estos elementos se mencionarán de forma general porque no son objeto

de estudio del presente proyecto, sin embargo, el control electrónico, válvula

reguladora de presión y el indicador presión si serán analizados y detallados.

Figura 10: Sistema hidráulico referencial de una prensa hidráulica

Page 36: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

19

2.2.3 Fluido hidráulico

El aceite es uno de los fluidos más usados y aplicados a prensas hidráulicas debido

a lo siguiente:

Debe ser capaz de desplazarse libremente por todos los ductos y orificios que

forman parte del sistema, con el objeto de trasmitir la potencia y energía de la

bomba hidráulica hacia el cilindro.

Durante el proceso de funcionamiento existe alta fricción de componentes móviles

internos, por lo tanto, el fluido hidráulico debe permitir lubricar todas estas partes

para disminuir el desgaste y desprendimiento de partículas que puedan contaminar

el aceite, asimismo, este aceite debe tener una alta capacidad de proteger la

corrosión de las piezas internas.

Al entrar en funcionamiento el sistema hidráulico existe desplazamiento del fluido

entre la bomba y el cilindro a alta velocidad, y si a esto se le agrega la fuerza

existente contenida el fluido empieza a elevar su temperatura, por lo tanto, algunas

de las características importantes de este aceite deben ser: la alta capacidad para

disipar el calor, baja pérdida del índice de viscosidad por los cambios de

temperatura y sobre todo bajo índice de comprensibilidad

Para este proyecto se usa el aceite hidráulico Shell Tellus ISO 46, este es un tipo

de aceite recomendado por el fabricante de la bomba hidráulica.

2.2.4 Tanque Hidráulico.

Este tanque almacena el aceite hidráulico que se trasmite por la bomba hacia el

cilindro, las funciones principales son compensar fugas, separar aire y agua del

aceite y sobre todo la decantación de partículas producidos por una fricción natural

de piezas por ejemplo entre el cilindro y pistón.

Page 37: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

20

Figura: Tanque hidráulico –

(Fuente: http://jairgarcia26.blogspot.com/2015/02/deposito-hidraulico.html)

2.2.5 Bomba hidráulica

La bomba hidráulica es uno de los componentes principales de un sistema hidráulico;

tiene como objetivo transformar la energía mecánica (rotación de paletas del motor)

en energía hidráulica, este principio consiste en aspirar el aceite del tanque y por

intermedio de las paletas expulsar dicho aceite a cierta velocidad a través de la

manguera hidráulica y con destino al cilindro de la prensa hidráulica.

El tipo de bomba usado por el fabricante es de tipo Bomba hidráulica por

desplazamiento positivo rotatorio de rotor simple.

Algunas de las características son:

• Volumen de aspiración y expulsión

• Caudal de trabajo (m3/h).

• Presión máxima de trabajo.

• Rendimiento volumétrico.

• Eficiencia de trabajo

• Tipo de aceite.

Figura 11: Modelo de tanque hidráulico referencial

Page 38: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

21

(Fuente: www.Eleinternational.com)

2.2.6 Mangueras / tubería

Las mangueras tienen por finalidad transportar el aceite desde la bomba hidráulica

hacia el pistón, las características importantes son de permitir un trabajo a altas

presiones y que sean de alta flexibilidad (No rígidas).

(Fuente: http://www.kymgber.com/man_hidraulica.html)

Figura 12: Bomba hidráulica eléctrica de control manual

Figura 13: Manguera hidráulico de alta presión

Page 39: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

22

2.2.7 Válvulas

Algunas de las válvulas que forman parte del sistema hidráulico son:

➢ Válvula de alivio: Esta válvula debe regularse a una capacidad máxima a la cual

se requiere que trabaje la Prensa hidráulica. Pasada esta presión el aceite es

retornado al tanque para evitar una sobre presión. Es llamado también válvula

limitadora de presión.

➢ Válvula anti retorno (Check): Esta válvula tiene por finalidad que el aceite

hidráulico no retorne al tanque y así mantener la presión de manera constante.

➢ Válvula reguladora y control de presión: Esta válvula es de tipo eléctrica y

permite controlar el volumen de aceite hidráulico hacia el cilindro (caudal), es

decir, máximo flujo durante la etapa de aproximación, inicio del ensayo y retorno

del cilindro y baja velocidad durante la etapa de ensayo.

➢ Electro válvula: Esta válvula es controlada eléctricamente, se abre para pasar

el aceite del tanque hacia el cilindro durante el ensayo y se cierra al terminar el

ensayo.

(Fuente: www.edu.xunta.gal/centros/cifpcoroso/es/node/638)

Figura 14: Válvula de alivio

Page 40: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

23

(Fuente: www.edu.xunta.gal/centros/cifpcoroso/es/node/638)

2.2.8 Filtros

Los filtros cumplen una tarea importante que consiste en evitar que las impurezas

o partículas en el sistema se queden alojados en el tanque ocasionando fugas de

presión o baja eficiencia de funcionamiento de las válvulas. El filtro instalado es de

tipo cilíndrico y se encuentra instalado en la etapa de aspiración de la bomba

hidráulica. Adicionalmente se instala un filtro en el ingreso de la válvula reguladora

de presión que es uno de los componentes importantes y de alto valor económico.

Asimismo, existe otro filtro llamado filtro de aire y carga ubicado en la entrada del

tanque que sirve para evitar ingreso de partículas ambientales dentro del proceso

de carga de aceite, también normaliza la presión atmosférica dentro del tanque.

(Fuente: www. http://www.hnsa.com.co/filtros-de-retorno/)

Figura 15: Válvula reguladora de presión

Figura 16: Filtro de Retorno

Page 41: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

24

2.2.9 Pistón / cilindro

El cilindro es el contenedor del aceite hidráulico donde se aloja el pistón, este pistón

es el encargado de hacer contacto con la probeta (muestra) durante el proceso de

ensayo. Generalmente este sistema tiene unos sellos (empaquetadura) entre el

pistón y el cilindro que sirven para evitar que las partículas externas hagan contacto

con el aceite; de esta manera se evita contaminación del aceite y se previene un

alto desgaste de la pared interna del cilindro y pistón.

(Fuente: https://sites.google.com/site/358maquinas/transmision-hidraulica)

2.3 Indicador de presión

El indicador de presión es un dispositivo que muestra la presión existente en el circuito

hidráulico durante el proceso de inyección y descarga de aceite del cilindro. Existen 02

tipos de indicadores, los de tipo analógico llamados manómetros de presión (dial indicador

de carga) o los de tipo digital que visualizan la fuerza aplicada a la cual es sometida la

muestra, asimismo algunos de los modelos hacen un cálculo interno y muestra un segundo

parámetro llamando resistencia.

Figura 17: Diseño de una bomba hidráulico manual

Page 42: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

25

(Fuente: www.eleinternational.com)

(Fuente: www.eleinternational.com)

Esta unidad digital es el indicador que actualmente se encuentra instalado en el equipo,

permite configurar el tipo de ensayo, visualiza la fuerza aplicada y calcula la resistencia de

falla de muestra en base al área de la muestra ingresada. Sin embargo, este modelo se

encuentra descontinuado por el fabricante.

2.4 Transductor / Trasmisor de presión

Un transductor de presión es un dispositivo o tipo de sensor capaz de detectar magnitudes

físicas (aire, fluido hidráulico, etc) y transformarla en señales eléctricas (mv), es decir en una

señal analógica.

Figura 19: Manómetro de presión análogo

Figura 18: Indicador de presión digital

Figura 20: Unidad Digital ELE

Page 43: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

26

En la actualidad existe un gran número de trasmisores de presión que los instrumentistas

pueden escoger dependiendo del tipo de aplicación, estas pueden ser por el costo y/o a las

limitaciones en operación y funcionamiento, pasando desde los clásicos manómetros y tubo

Bourdón hasta los modernos LVDT y otros.

https://www.bloginstrumentacion.com/productos/como-funciona-un-transmisor-de-presion/

Características de un sensor de transmisión digital

Exactitud: Corresponde al valor de lectura más próximo al valor real de la magnitud

medida. La exactitud debe ser tan alta como fuese posible; el promedio de error

entre el valor medido y el valor real debe ser cercano a cero.

Figura 21: Manómetro de presión análogo tipo Tubo Bourdón

Figura 22: Transductor de presión electrónico

Page 44: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

27

Precisión: Corresponde a la mínima dispersión de una serie de valores comparado al valor

medido ideal. Debe ser tan alta como fuese posible.

Rango de trabajo: Corresponde al rango en la cual el transductor debe funcionar

correctamente con una alta precisión en todo su rango.

Velocidad de respuesta: Corresponde al tiempo de respuesta que debe tener el

transductor frente a una variación física mínima, esta variable debe ser

detectada en un tiempo mínimo.

Dentro de los diferentes tipos de transductores tenemos:

❖ Transductores resistivos:

Está basado en el principio de tubo Bourdón o diafragma, que consiste en variar la

resistencia de un elemento elástico (Ohm) a través de un potenciómetro en función de

la presión aplicada.

Rango de trabajo: De 0.1 a 300 Bar. Sensibilidad: Alta

❖ Transductores magnéticos:

Está basado en el principio de desplazamiento de un núcleo móvil dentro de una

bobina debido al aumento de inductancia de forma proporcional, este tipo de

transductor tiene una respuesta lineal y su precisión están en orden de +/- 1%. Su

rango de trabajo es de 0.01 a 300 Bar.

Rango de trabajo: De 0.1 a 300 Bar.

Sensibilidad: Alta

❖ Transductores capacitivos:

Estos transductores contienen dos contactos metálicos estrechamente espaciados,

paralelos y aislados eléctricamente, una de ellas es un diafragma con la capacidad de

Page 45: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

28

flexionarse a la aplicación de una mínima presión. El valor de capacitancia se produce

en un condensador al desplazarse una de sus placas.

Rango de trabajo: De 0.05 a 5 Bar 0.5 - 600 Bar

Sensibilidad: Alta

❖ Transductores piezoeléctricos:

Estos tipos de transductores tienen un alto rendimiento, sensibilidad o eficiencia, a

pesar de soportar altas potencias. Permite generar una carga eléctrica en un material

cristalino (cuarzo y titanio) que se deforma físicamente por la aplicación de una tensión

mecánica (efecto reversible) generando una señal eléctrica.

Rango de trabajo: De 0.1 a 800 Bar. Sensibilidad: Baja

Para este proyecto se usa los de tipo piezoeléctrico debido alto grado de precisión, alta

sensibilidad y al rango de trabajo acorde a las presiones máximas de trabajo de una prensa

hidráulica (máx. 500.000 Lbs).

(Fuente: www.eleinternational.com)

Figura 23: Transductor/Trasmisor de presión piezo-eléctrico Ele

Page 46: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

29

2.5 Válvula de descarga y reguladora de presión.

Una válvula reguladora de presión tiene por función principal controlar el flujo de aceite

hidráulico que se desplaza del tanque hacia el cilindro, este control se realiza

eléctricamente, es decir, a menos voltaje menor flujo de pase.

(Fuente: Sistema Oleo hidráulicos – Carlos Salto Medina)

Funcionamiento de la válvula de descarga automática

Funcionamiento en modo normal

Al recibir la señal de carga, se activa la válvula piloto permitiendo el flujo de aceite hidráulico

a la dirección de la válvula de 3 bias NG6 empujando hacia la posición de bloqueo. Este

bloqueo no permite que el aceite llegue a KS1, por lo tanto el KS2 permanece cerrado

abriendo la válvula principal.

Figura 24: Diagrama básico de una Prensa Hidráulica

Page 47: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

30

(Fuente: Tiefenbach.com)

Funcionamiento en modo descarga

Al recibir la señal eléctrica de descarga, la válvula piloto se cierra por acción del resorte, el

aceite es desviado directamente a KS1, dicho piston se activa dejando recircular el aceite

al tanque hidráulico.

(Fuente: Tiefenbach.com)

Figura 26: Diagrama hidráulico en modo descarga

Figura 25: Diagrama hidráulico en modo normal

Page 48: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

31

2.6 Controlador logíco programable (PLC)

PLC o Controlador Lógico Programable son dispositivos electrónicos muy usados en

Automatización Industrial. Un PLC controla la lógica de funcionamiento de máquinas,

plantas y procesos industriales, procesan y reciben señales digitales y analógicas y se

pueden aplicar rutinas de control. (http://www.logicbus.com.mx/plc.php).

Este dispositivo está diseñado para ser programado toda la lógica de control mediante

una serie de pasos secuenciales para que haga un determinado proceso, es decir, pemite

que las máquinas hagan su trabajo sin intervencion humana. Para conseguir esto, se

debe progranar directamente en el mismo PLC o traves del software externo como es el

caso del Logo!Soft Confort de siemens.

Entre algunas de las aplicaciones de un autómata o PLC tenemos:

- Maniobra de máquinaria: Procesos de madera, plásticos, ensamblaje de

equipos, procesado de materiales.

- Maniobra de instalaciones: Seguridad, calefacción, transporte.

- Procesos industriales: Automóvil, neumáticos, azucareras, embotellado,

petroquímicas, metalurgia, domótica.

Dentro de las características y funciones principales son:

- Entradas y salidas análogas y digitales.

- Desición propia en base a criterios y lógica preprogramada.

- Almacenamiento de datos en memoria.

- Trabajo a diferentes frecuencias.

- Cálculo matemáticos.

- Comunicación con otros PLC o procesos externos

Page 49: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

32

(Fuente: Elaboración propia)

Arquitectura de un PLC

(Fuente: www.ieec.uned.es/)

Fuente de alimentación: Es el encargado de proveer al PLC el voltaje de alimentación,

hay modelos que trabajan a 24 VDC con fuente externa, hay modelos que trabajan

directamente a voltaje comerciales.

Bloques de

Entrada

CPU Memoria

Bloques de Salida

Figura 27: Diagrama de procesos de un PLC

Dispositivos

de Salida

Dispositivos

de entrada

Figura 28: Diagrama de bloques interno de un PLC

Page 50: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

33

Unidad Lógica (CPU): Este bloque es el encargado de consultar el estado de las entradas,

acceder a la memoria interna para procesar los pasos a seguir y elaborar las señales de

salida. Dentro de los tipos de memoria son RAM, ROM, PROM, EAROM, NVRAM.

Memoria interna: La memoria es el encargado de almacenar los programas previamente

guardados. Tambien contiene la secuencia y mensajes de inicialización e interfaz del PLC.

Interfaces de entrada y salida (Puertos): Son los puntos de contacto de señales análogo

o digital que permiten comunicarse entre un dispositivo externo y los circuitos internos del

PLC. Las entradas reciben información de una variedad de diferentes sensores.

En el mercado de PLC existente deferentes fabricantes, entre los mas usados y conocidos

tenemos:

• OMRON.

• SIEMENS.

• ABB.

• ALLEN BRADLEY.

• SCHNEIDER.

• HITACHI.

• HONEYWELL.

• MITSUBISHI.

Fuente: Elaboración propia

Figura 30: Marcas de PLC

Page 51: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

34

CAPÍTULO 3

DESARROLLO DE LA SOLUCIÓN

OBJETIVO: 3.1 LEVANTAMIENTO DE INFORMACIÓN

Realizar levantamiento de información del procedimiento de ensayo que

realiza el cliente, evaluar sus requerimientos (mejoras) y realizar un

diagnóstico completo de la máquina de compresión automática y semi

automática.

OBJETIVO: 3.2 DISEÑO E MPLEMENTACIÓN DE HARDWARE

Diseñar e implementar un sistema eléctrico/electrónico que controle la

bomba hidráulica de manera automática y funcione como intermediario entre

la máquina y el software reduciendo así la presencia del operador durante

el ensayo.

OBJETIVO: 3.3 DISEÑO Y DESARROLLO DE SOFTWARE

Diseñar y crear una interfaz de software para computador que permita

configurar parámetros del ensayo, controlar automáticamente la bomba

hidráulica, visualizar y graficar el ensayo en tiempo real, almacenar los

resultados en una base de datos e imprimir y exportar los datos a formato

de hojas de cálculo, texto y sistema de gestión de calidad del cliente.

OBJETIVO: 3.4 PUESTA EN MARCHA Y CALIBRACIÓN

Realizar puesta en marcha, procedimiento de ajuste y calibración de la

máquina de compresión haciendo uso de patrones trazables nacionales e

internacionales de tal manera que garantice que los resultados estén dentro

del 1% de error exigido por la NTP y ASTM.

Page 52: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

35

3.1 Levantamiento de Información

Objetivo: Realizar levantamiento de información del procedimiento de ensayo que realiza

el cliente, evaluar sus requerimientos (mejoras) y realizar un diagnóstico completo

de la máquina de compresión automática y semi automática.

Actualmente el cliente tiene 18 máquinas de ensayos de compresión de probetas de

concreto en sus 10 locales distribuidos a nivel nacional, 8 de ellas son automáticas y de

ellas 02 se encuentran inoperativas debido a la discontinuidad de repuestos originales del

fabricante; los 10 restantes son máquinas de compresión con control de velocidad manual,

es decir, requieren la presencia de personal usuario durante todo el ensayo. Las máquinas

automáticas presentan especificaciones técnicas muy limitantes debido a la antigüedad

que impide tener un buen proceso de control de calidad de los ensayos.

Fuente: Elaboración propia

Cantidad: 18

Máquinas de compresión

de probetas de concreto

Cantidad: 08

Máquinas de compresión

AUTOMÁTICAS

Cantidad: 10

Máquinas de compresión

SEMI AUTOMÁTICAS

Cantidad: 02

Máquinas de compresión

INOPERATIVAS

Page 53: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

36

Figura 30: Máquina de compresión inoperativa

3.1.1 Proceso actual del ensayo

El proceso actual para un realizar un ensayo consiste de las siguientes etapas:

1. Solicitud de ensayo de probetas de concreto.

2. Llenar formato con datos del solicitante y observaciones de la muestra.

3. Tomar medidas a la probeta de concreto.

3. Preparar la máquina de compresión.

4. Realizar procedimiento de compresión

5. Registrar en formato de resultados los valores de ensayo como fuerza

aplicada y resistencia a la falla.

6. Preparar informe de resultados para el solicitante

3.1.2 Análisis actual de la máquina inoperativa

El modelo y diseño actual consta de un marco de carga con capacidad para ensayar

probetas de concreto de hasta 300 KN y una unidad hidráulica con motor de ¾ HP.

El control de velocidad, apertura y cierre de válvulas se realiza a través de una

tarjeta electrónica de potencia, una de control y una adicional para la pantalla y

teclado.

(Fuente: Elaboración propia)

Page 54: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

37

Problemas técnicos actuales:

➢ Toda la unidad de control se encuentra descontinuado por el fabricante. Un nuevo

sistema de control (Touch) tiene un valor comercial muy elevado para los intereses

del cliente.

➢ No permite visualizar la gráfica durante y post ensayo.

➢ Algunos botones del teclado de control presentan alto desgaste por uso, incluso

algunos botones fueron reparados de forma temporal.

➢ La tarjeta de control se encuentra inoperativa y tiene una tecnología muy antigua

cuyos componentes en la actualidad no son comercializados, por lo que su

reparación no es posible.

➢ No tiene software de control, el único software disponible permite únicamente

descargar los datos del ensayo en formato txt.

➢ La comunicación es vía protocolo de comunicación RS232S, actualmente los

nuevos sistemas de comunicación usan protocolos USB y Ethernet.

➢ El software tiene compatibilidad hasta Windows XP 32 Bits. Este sistema operativo

fue retirado del mercado en el 2012.

➢ Los valores de corrección durante la calibración no es posible grabarlo en la tarjeta

de control, por lo que el usuario debe hacer un cálculo manual adicional para incluir

el factor de corrección en los valores de carga visualizados en la pantalla del

equipo.

Page 55: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

38

3.1.3 Requerimiento del Cliente

1. Reinsertar a la operatividad sus 02 máquinas automáticas inoperativas.

2. Automatizar las 10 máquinas de control manual y convertirlas en máquinas

automáticas.

3. Mejorar el control de las máquinas automáticas.

4. Visualizar la gráfica de ensayo en tiempo real.

5. Registrar en un sistema los ensayos de compresión para ser rastreables y

acceder a los resultados cuando sea necesario.

6. Exportar los resultados a diferentes formatos: Excel, texto, ERP

3.2 Diseño e Implementación de hardware

Objetivo: Diseñar e implementar un sistema eléctrico/electrónico que controle la bomba

hidráulica de manera automática y funcione como intermediario entre la máquina

y el software reduciendo así la presencia del operador durante el ensayo.

Luego del proceso de inspección de las 02 máquinas automáticas e inoperativas se

concluye que la unidad de control digital es el único componente que se encuentra

inoperativo, lo que permite reusar los otros componentes tales como el marco de carga,

cilindro/pistón, unidad hidráulica, válvulas, transductor de presión entre otros, lo que

representa un ahorro económico para el cliente en el reúso de estos componentes.

Con la intención de dar continuidad de uso a la máquina de compresión inoperativa se

plantea rediseñar un nuevo sistema de control basado en autómata PLC que será el único

encargado de hacer el control de todo el sistema, así mismo permita comunicación con un

software que se capaz de controlar el PLC y este a la máquina de compresión.

Page 56: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

39

3.2.1 Diagrama de bloques del proceso de ensayo

(Fuente: Elaboración propia)

Figura 31: Diagrama de Procesos de Diseño Propuesto

Page 57: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

40

3.2.2 Diagrama de flujo del procedimiento de ensayo

(Fuente: Elaboración propia)

Figura 32: Diagrama de Flujo del diseño propuesto

Page 58: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

41

3.2.3 Características del diseño propuesto

Con este diseño se pretende automatizar las 10 máquinas de control manual,

mejorar las 08 máquinas automáticas y habilitar las 02 máquinas inoperativas

automáticas. De esta manera el cliente tendría las 18 máquinas operativas y

automáticas con un buen proceso de control de calidad de los ensayos de

compresión.

Características requeridas para el Hardware:

PLC:

➢ PLC debe ser Autómata (No Relés automáticos) y debe ser de diseño vigente

y con garantía.

➢ Todo el control debe establecerse en un sólo componente hardware (PLC),

para en caso de una falla este sea de fácil adquisición e instalación.

➢ El PLC debe permitir grabar programa de forma remota (a distancia).

➢ PLC debe permitir recibir señal VDC o mA.

➢ Modelo de PLC debe ser de alta rotación comercial en el País.

➢ La comunicación debe ser vía protocolo de comunicación RS232, Ethernet o

USB.

➢ PLC debe ser resistente a vibraciones mecánicas, altas temperaturas y

humedad relativa.

➢ PLC debe permitir transferir los datos a alta velocidad para obténer un error

menor del 1%.

➢ PLC con 02 entradas análogas como mínimo.

➢ PLC con 04 salidas por relé como mínimo.

Page 59: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

42

Trasmisor de presión:

➢ Tipo transductor y trasmisor de presión con aplicaciones en hidráulica.

➢ De alta precisión, repetibilidad y linealidad y con error menor del 0.5%.

➢ Con rango de trabajo mínimo de 500 Bar y sobre presión del 50%.

➢ Trabajo con alta vibración mecánica y alta temperatura.

➢ Entrada en VDC y salida en VDC o mA.

➢ Error en punto zero menor del 0.5%.

➢ No debe permitir calibrar manualmente (potenciómetro) debido a movimientos

bruscos en traslados y vibraciones naturales propios del ensayo.

Características requeridas para el Software:

➢ Software de interfaz debe ser compatible con sistemas operativos actuales y

vigentes de Microsoft.

➢ Software debe permitir realizar procedimiento de ajuste y calibración de la

máquina, es decir, el factor de corrección de los 10 puntos de calibración debe

ser almacenado en la máquina y en software.

➢ Interfaz del software debe permitir controlar la velocidad del flujo de movimiento

del cilindro / pistón.

➢ Interfaz del software debe permitir visualizar una gráfica de tiempo (s) Vs carga

(kgf) durante el ensayo.

➢ Interfaz del software debe permitir configurar diferentes unidades de trabajo

(Sistema internacional, Imperial y Métrico).

➢ Interfaz del software debe permitir registrar los datos del cliente y de la muestra

(probeta).

➢ Interfaz del software debe permitir registrar de manera automática los ensayos

y guardados en una base de datos.

Page 60: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

43

➢ Interfaz del software debe permitir acceder y buscar mediante diversos filtros los

ensayos realizados y almacenados.

➢ Interfaz del software debe permitir exportar los datos en formato Excel y texto

para que el usuario pueda personalizar algún reporte específico.

3.2.4 Implementación de hardware

3.2.4.1Selección de PLC y Trasmisor de presión

Dentro del mercado nacional se comercializa diferentes modelos de PLC y

trasmisores de presión, para la selección de estos componentes se considera las

siguientes variables:

✓ Prestaciones y especificaciones técnica mínimas requeridas.

✓ Alta rotación comercial.

✓ Valor de mercado accesible.

Page 61: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

44

Tabla 3: Comparación especificaciones técnica PLC

Característica técnica

Siemens S7-1200

Allen Bradley SmartGuard 600-1752

OMROM CP1L

Tensión de alimentación

Directo 120 – 230 VAC

Requiere fuente externa de 220 a 24 VDC

Directo 84 – 264 VAC

Alimentación a sensores 24 V

Fuente integrada 20.4 a 28.8 V

Fuente integrada SI

Fuente externa 20.4 a 26.4

Dimensiones 100x100x75 mm 99.0x99.4x131.4mm

Memoria de trabajo

50 Kbyte 50 Kbyte 10 Kbyte

Entradas digitales

8; Integradas 16 6

Salidas digitales 6; Relé 8 4

Entradas análogas

Integrada 2; 0 a 10 V

Integrada Requiere de tarjeta externa

Interfaz de comunicación

Incorporado Profinet-Ethernet

Requiere de Tarjeta adicional para PC Ethernet / IP - DeviceNet

Integrada: USB 2 Externa: IP

Velocidad de comunicación

125 MBps 500 Kbps (menos de 100 mts)

480 Mbps

Regulador PID SI SI SI

Resistencia a la vibración

0.3 mm@58-150 Hz 1g-2g 58-150 Hz

0.35 mm@10-57 Hz, 5g 57-150Hz

0.075 mm@10–57 Hz 3.5 mm@ 8.4-150 Hz

Carga de programa remoto

SI SI NO

Grabar sin detener proceso

Si NO NO

Fuente: Elaboración propia

Page 62: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

45

Posterior a la comparación de especificaciones técnicas, se concluye que el PLC

Siemens modelo SIMATIC S7-1200 es el que mejor prestación cumple para el proyecto,

por las siguientes razones:

✓ No requiere de fuente externa de 220 VAC a 24 VDC para componentes

externos.

✓ No requiere módulo externo para señales análogas.

✓ Presenta mayor resistencia a vibraciones de trabajo.

✓ Presenta velocidad de comunicación suficiente para transferencia de datos

requerida de 1 seg y 1 mseg.

✓ Tiene comunicación directa, no requiere de tarjeta de comunicación especial.

✓ Permite carga de programa sin detener proceso y de forma remota.

PLC SIEMENS – SIMATIC S7-1200

(Fuente: www.siemens.com)

Figura 33: PLC SIMATIC S7-1200

Page 63: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

46

Tabla 4: Comparación de Trasmisores de Presión

Característica JUMO P30 WIKA S-20 KOBOLD SEN-98/-99

Aplicación Medición de presión absoluta y relativa en líquidos o gases

Aplicaciones Industriales, aplicaciones en investigación y desarrollo

Aplicaciones hidráulicas y químicas

Tipo Piezo-eléctrico Piezo-eléctrico Piezo-eléctrico

Rango Relativo 0 a 600 Bar 0 a 1600 Bar 0 a 600 Bar

Rango temperatura de trabajo

-30 a +120°C -40 a +70°C -25 a +100°C

Humedad de trabajo

45 – 75 HR 45 – 75% HR 45 – 75% HR

Límite de sobre carga

1.5 x escala máxima

2 x escala máxima 800 Bar

Tipo de acero 316 Ti/316L 316 Ti/316L 316L

Salida 4 a 20 mA 0 a 10 V

4 a 20 mA 0 a 10 V

4 a 20 mA 0 a 10 V

Voltaje de suministro

10 a 30 DC (4 a 20 mA) 11.5 a 30 DC (0 a 10 V)

8 a 36 DC (4 a 20 mA) 8 a 36 DC (0 a 10 V)

10 a 30 DC (4 a 20 mA) 14 a 30 DC (0 a 10 V)

Resistencia a vibración mecánica

20g @ 15 – 2000 Hz

20g @ 10-2000 Hz Continua: 10g

20g @ 10-2000 Hz

Zero Offset <= 0.3% <= +- 0.2% +- 10%

Histéresis térmica <= +- 0.5% 0,1%

Repetibilidad <= 0.05% No repetibilidad <=+-0.1%

<=0.1%

Linealidad <= 0.2% No linealidad <=+-0.25%

No linealidad <=+-0.25%

Tiempo de respuesta

mA: <= 3 mseg Vdc: <= 10 mseg

mA: 3 mseg Vdc: 2 mseg

< 4mseg

Calibración ajustable

NO No Si

Fuente: Elaboración propia

Page 64: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

47

Al realizar una comparación de especificaciones técnicas se concluye que el

trasmisor JUMO P30 cumple las especificaciones requeridas por el proyecto, por

las siguientes razones:

✓ El rango de 600 Bar y un límite de sobre carga de 1.5 se encuentra en

el rango requerido por el proyecto. Cuando el rango máximo es mayor la

precisión es menor.

✓ Presenta mayores especificaciones en condiciones extremas de trabajo

por vibraciones mecánicas y alta temperatura.

✓ Presenta mejor repetibilidad 0.05%, esta característica permite cumplir

la tolerancia del 1%.

✓ Presenta mejor linealidad (< 0.2%), esta característica permite realizar

una calibración lineal del sistema.

✓ No permite realizar ajuste/calibración manual.

Observación: Este trasmisor de presión JUMO P30 presenta un error en punto Zero

(Zero Offset) de <= 0.3% que es mayor que el modelo Wika S-20 (<= 0.2%). Para

mejorar esta especificación técnica, se desarrolló un procedimiento de límite de

detección y cuantificación dentro del proceso de calibración.

El tiempo de respuesta del JUMO P30 es mayor comparado con los otros

fabricantes, sin embargo, para nuestro proyecto se requiere toma de datos cada

0.30s como mínimo.

(Fuente: www. www.jumo.de/products)

Figura 34: Trasmisor JUMO P30

Page 65: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

48

3.2.4.2 Funcionamiento de la bomba hidráulica

Al inicializar la bomba (Pump On) la válvula reguladora de presión se abre

completamente para que la subida del pistón sea rápida y cuando el sensor detecte

un incremento de presión (Contacto de la muestra con la platina superior) mayor a

10 Kgf la velocidad se reduce en base al parámetro “Ratio de Velocidad”

configurada para el ensayo respectivo.

Al terminar el ensayo, el canal de flujo ascendente se cierra completamente y el

canal de flujo de retorno se abre para que el aceite retorne al tanque de aceite

hidráulico.

(Fuente: Elaboración propia)

Tanque hidráulico

Filtro de entrada y carga de aceite

Manguera de descarga de aceite

Dump Valve (Válvula de descarga de presión

Motor monofásico 220 Vac 60 Hz

Transductor de presión

Válvula check

Manguera hidráulica

alta presión

Manguera de retorno de aceite

Válvula de distribución

Mirador de nivel de aceite hidráulico

Figura 35: Instalación de válvula reguladora de presión

Page 66: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

49

3.2.4.3 Caracterización de la velocidad del regulador de flujo.

Se realizaron varios ensayos para encontrar la velocidad mínima proporcionada por

la máquina, que depende de las especificaciones del motor hidráulico y la válvula

reguladora de flujo.

Tabla 5: Características del motor de la bomba hidráulica

Fuente: Elaboración propia

El control de velocidad en los modelos semiautomáticos se realiza con una válvula

reguladora manual a través de una perilla de control de velocidad que va desde 1

hasta 6, donde 01 es la velocidad mínima y 06 la velocidad máxima (no se tiene

registro numérico del valor de velocidad en cada posición).

(Fuente: Elaboración propia)

Marca CG Power and Industrial Solutions Limited

Potencia 370W ½ HP

RPM 1425

Voltaje 220/230V

Consumo corriente de trabajo 4.2A

Capacitor arranque 100 uf 275 V

Figura 36: Control de velocidad manual en modelo semi automático

Page 67: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

50

Sin embargo, para este proyecto se implementa un control de velocidad a través de

una válvula reguladora eléctrica de flujo bidireccional, que tiene las siguientes

especificaciones:

Tabla 6: Características de válvula reguladora de flujo

Fuente: Elaboración propia

(Fuente: Elaboración propia)

Para el control de flujo hidráulico se halla la relación de Voltaje de alimentación a la

válvula Vs la presión hidráulica-carga (fuerza), para lo cual se realizaron varias

pruebas cuyos resultados pueden apreciarse en la tabla siguiente.

Marca Ele International

Potencia 0.35 KW

Voltaje 180 - 220 +/- 10%

Consumo corriente de trabajo 3A

Figura 37: Válvula reguladora de flujo hidráulico

Page 68: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

51

Tabla 7: Voltaje de suministro Vs Presión del regulador de flujo

Fuente: Elaboración propia

Según la norma ASTM C39/C39m-17b indica que el ritmo de carga para máquinas

hidráulicas debe ser constante a razón de 35 +/- 7 PSI/s, que es lo mismo de 0.25

+/- 0.05 Mpa/s. En la tabla anterior se observa que en el rango de 190 a 195 es el

rango de interés para trabajar dentro de los valores establecidos por la norma. En

la tabla siguiente hallamos la correlación para obtener la velocidad de 35 psi/s +/-

20%.

(Fuente: Elaboración propia)

(Fuente: Elaboración propia)

Voltaje de

suministro

(+/- 10%)

Presión

(BAR +/- 10%)

Presión

(PSI +/- 10%)

230 610 8,847.30

225 450 6,526.70

220 320 4,641.21

215 200 2,900.75

210 110 1,595.41

205 22 319.08

200 4.8 69.62

195 3.2 46.41

190 2.2 31.91

180 0.8 11.6

Figura 38: Correlación de voltaje Vs presión

Page 69: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

52

Tabla 8: Rango de voltaje para regulador de flujo

Fuente: Elaboración propia

Según la tabla, se determina que, para obtener una velocidad de 35 psi/s +/- 20%,

se debe suministrar a la válvula reguladora un voltaje máximo de 193 y un mínimo

de 188 VAC. Según la gráfica se obtiene una correlación de 0.9828.

Para el caso de la velocidad de aproximación y de contacto se establece una

velocidad de 100 PSI/s +/- 10%

En la sección 3.4.5 se halla el cálculo de velocidad de ensayo para cada dimensión

de probeta.

Voltaje de

suministro

(+/- 10%)

Presión

(Bar +/- 10%)

Presión

(PSI +/- 10%)

195 3.2 46.41

194 3.0 43.51

193 2.8 40.61

192 2.6 37.71

191 2.4 34.81

190 2.2 31.91

189 2.1 30.46

188 2.0 29.01

Page 70: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

53

Transductor de Presión

Válvula reguladora

de flujo

Motor de bomba

hidráulica Computador

con Software

LAN

220 VAC

24 VDC

Figura 39: Diagrama de conexiones

3.2.4.4 Conexionado del PLC

(Fuente: Elaboración propia)

1L 0 1

L1 N PE L+ M 2M 0

L1 N PE

PLC SIMATIC S7-1200

SIEMENS

Page 71: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

54

Tabla 9: Distribución de pines en conector DIN del transductor de presión:

Fuente: Elaboración propia

(Fuente: Elaboración propia)

Pin Señal

1 Voltaje al transductor (8 – 32 VDC)

2 0 V

3 No conectado

4 Señal del transductor

5 No conectado

Figura 40 A,B: Conexionado de PLC

Page 72: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

55

(Fuente: Elaboración propia)

(Fuente: Elaboración propia)

Figura 41: Conexiones parte posterior Panel

Figura 42: Software de control y ensayo

Page 73: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

56

3.2.5 Diseño y programación del PLC.

Este diseño se realiza en el software TIA Portal V14, software propio de Siemens

para sus PLC. La programación se realiza en el PLC SIMATIC S7-1200.

Reconocimiento de PLC, módulos y dispositivos conectados al computador.

(Fuente: Elaboración propia)

Figura 43 A/B: TIA Portal - Pantalla Principal

Page 74: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

57

3.2.5.1 Bloques de programación:

Bloque de organización (OB): Este bloque es el principal y hace referencia a las

variables globales del PLC, ésta puede ser llamada por cualquier bloque OB, FC o

FB.

(Fuente: Elaboración propia)

Bloque de función (FB y FC): Un FB o FC tienen que ser declarados dentro del

control principal. Un FB es asignado a un área de memoria, sin embargo, los datos

en el FC no tienen área de memoria.

Figura 44: TIA Portal - Diseño bloques

Page 75: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

58

(Fuente: Elaboración propia)

Figura 45 A/B/C: TIA Portal - Diseño de bloques de función

Page 76: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

59

Figura 46

Bloque de Datos (DB):

Figura 47 A/B: TIA Portal - Diseño de bloque de datos – Entradas y Salidas

(Fuente: Elaboración propia)

3.2.5.2 Tablas de Variables:

Variables de Salidas DQ: Estas variables permiten controlar mediante una interfaz

externa las salidas de los 06 Relay disponibles en el PLC.

(Fuente: Elaboración propia)

Figura 48: TIA Portal -Variables DQ

Page 77: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

60

Variables de Entradas digitales DI: Estas entradas del PLC permite recibir un tipo

de señal electrónica proveniente de un transductor de presión de 0-700 Bar.

(Fuente: Elaboración propia)

Variables de Entradas análogas AI: Estas entradas permite recibir una señal

positiva (Open) o negativa (Close) de un interruptor externo.

Figura 50: TIA Portal - Variables entradas Análogas AI

(Fuente: Elaboración propia)

Figura 49: TIA Portal - Variables entradas Digitales DI

Page 78: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

61

3.2.5.3 Carga de programa a PLC

(Fuente: Elaboración propia)

3.2.5.4 Simulación

Establecer comunicación: Este proceso consiste en configurar el TiaPortal

Siemens con el componente Hardware PLC S7-1200 del proyecto.

Tipo de Interfaz: PN/IE Esta opción permite conectar el TiaPortal V14 con el

mediante el puerto Ethernet RJ245.

Interfaz: Tipo de tarjeta de Red de la PC.

Figura 51: Carga de programa PLC

Page 79: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

62

El software realiza una búsqueda de dispositivos conectados al puerto Ethernet del

computador, al escanear los dispositivos el software muestra las direcciones físicas

de cada componente.

Seleccionar el dispositivo a simular y aceptar.

(Fuente: Elaboración propia)

Establecer conexión: Este botón permite conectar en línea el PLC, la cual permite

realizar la simulación con valores de entrada reales.

(Fuente: Elaboración propia)

Figura 52: TIA Portal - Configuración de comunicación

Figura 53: TIA Portal - Conexión On-Line

Page 80: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

63

Potenciómetro 10K

24 VDC

Activar observación: Este botón permite visualizar los valores reales físicos de

entrada conectado al PLC.

(Fuente: Elaboración propia)

Mostrando valores de simulación:

Esta prueba consiste en simular valores de entradas del PLC con voltajes

controlados manualmente a través de un potenciómetro de 10K. Este voltaje de

entrada al PLC debe ser entre 0 y 24 VDC que este el rango de voltaje permitido

por el transductor de presión y el PLC.

El voltaje de salida del circuito se conecta a la primera entrada análoga del PLC,

esta entrada está programada en el PLC para recibir señales externas

Figura 54: TIA Portal - Visualizar valores simulados

Figura 55: Diagrama de entradas y salida del PLC

L1 N PE L+ M 2M 0

L1 N PE

PLC SIMATIC S7-1200 SIEMENS

(Fuente: Elaboración propia)

Page 81: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

64

Para la primera lectura movemos la perilla del potenciómetro a valor cero, el

TiaPortal V14 muestra valores equivalentes a 0.8608217, este valor es el factor de

ajuste calibrado para presión atmosférica a nivel del mar, este valor debe ser

ajustado en el lugar donde va a funcionar la máquina, en especial en lugares de

mayor altitud.

(Fuente: https://www.aristasur.com/contenido/presion-atmosferica-y-variacion-de-oxigeno-en-altura)

Variables:

Contador voltaje en cero: (0 K-Ohm) = 0.8608217 (Factor de corrección a msnm)

Presión Máxima Trasmisor: 700 bar (10 K-Ohm)

Rango de protección: 10%

Figura 56: Gráfica de relación de Altitud Vs Presión atmosférica

Page 82: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

65

(Fuente: Elaboración propia)

Para la segunda lectura se realiza moviendo el potenciómetro a mitad de escala

(Fuente: Elaboración propia)

Para la tercera lectura se realiza moviendo el potenciómetro a máxima escala, para

este proyecto se ha considerado el 10% por encima del valor nominal como medida

de protección.

Figura 57: TIA Portal - Primera lectura de simulación (Escala Zero)

Figura 58: TIA Portal - Segunda lectura de simulación (Media escala)

Page 83: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

66

(Fuente: Elaboración propia)

3.3 Diseño y desarrollo de software

Objetivo: Diseñar y crear una interfaz de software para computador que permita configurar

parámetros del ensayo, controlar automáticamente la bomba hidráulica,

visualizar y graficar el ensayo en tiempo real, almacenar los resultados en una

base de datos e imprimir y exportar los datos a formato de hojas de cálculo, texto

y sistema de gestión de calidad del cliente.

3.3.1 Análisis y diseño de Base de datos

El almacenamiento de los datos del cliente, de las muestras y ensayos se realiza

en una base datos Microsoft Access 2013, este motor de base de datos ofrece una

capacidad de 2 GB equivalente a 200.000.00 registros aproximadamente. Esta

capacidad es suficiente para el volumen de información que se pretende manejar

con el software, por lo que no es necesario hacer uso de base de datos más

potentes y de mayor capacidad como SQL, Oracle, entre otros.

Figura 59: TIA Portal - Tercera lectura de simulación (Escala Máxima)

Page 84: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

67

Tablas: Las tablas almacenan la información del cliente como código, nombre,

teléfono y dirección, así como datos del ensayo como fecha, fuerza aplicada,

resistencia, entre otros.

Tabla 10: Base de Datos – nombre de las tablas y claves primarias

Nro Nombre

Tabla

Clave

Primaria

Descripción de contenido

1 Customer Customer_Id Datos de los clientes

2 Employees Employee_Id Datos de trabajadores Cliente

(Gerente, tesorería, solicitante)

3 Test Test_Id Datos del Proyecto (Ensayo)

4 Sample Sample_Id Datos de ensayo de la muestra

(muestra 1, muestra 2, muestra 3 y

muestra 4)

5 Data Data_Id Datos de ensayo de cada muestra

6 User User_Id Datos del ejecutor de ensayo

7 Calibration Cal_Id Datos de parámetros de calibración

8 Access Access_Id Registro de acceso al sistema por

usuario

Fuente: Elaboración propia

Page 85: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

68

Relaciones entre Tablas

Tabla 11: Base de datos - relaciones entre tablas

Nro Tabla principal Tipo de Relación Tabla Secundaria

1 Customer Uno a Varios Employees

2 Test Varios a Uno Customer

3 Sample Varios a Uno Test

4 Data Varios a Uno Sample

5 User Uno a Varios Acces

6 Test Uno a Varios User

Fuente: Elaboración propia

Figura 60: Base de datos - diseño de tablas

(Fuente: Elaboración propia)

Page 86: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

69

3.3.2 Diseño y programación del software de interfaz.

Lenguaje de programación (LP): La interfaz del software está desarrollado en

lenguaje de programación Visual Estudio 2015, se usa este software porque la

empresa tiene licencia para desarrollo de aplicaciones.

El software se desarrolla bajo el concepto de Demo, es decir, sin licencia para el

cliente, el instalador y ejecutable forma parte de los entregables al cliente.

(Fuente: Elaboración propia)

3.3.2.1 Formulario de Ingreso al sistema

Este formulario es la primera ventana que será mostrada al ejecutar el sistema

“Ensayos de Probetas de Concreto”. Esta ventana permite validar el User y

Password del usuario previamente creado por el administrador del sistema.

Figura 61: Software - diseño de interfaz VE 2015

Page 87: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

70

El administrador del sistema tiene los privilegios de crear usuarios para los ensayos

respectivos, este usuario será designado por el responsable del cliente y creado

durante la entrega del proyecto.

Tabla 12: Nivel de acceso de usuarios

Usuario Nivel de acceso Observaciones

Servicio

Acceso total del sistema, puede

restablecer todo el software a su

estado inicial y parámetros

propios de funcionamiento del

software

Usado por el proveedor

del equipo

Administrador

Acceso para cerrar usuarios,

restablecer contraseñas,

calibración del equipo y permisos

de operador

Usuario designado por el

cliente

Operador

Acceso para ingresar datos del

cliente, muestra, configuración y

ensayo de muestras.

Usuario que opera la

máquina

Administrativo Acceso para buscar ensayos

anteriores y exportar datos

No permite realizar

ensayos

Fuente: Elaboración propia

Si en caso el usuario haya ingresado 03 veces de forma errónea los datos del

usuario, esta quedará bloqueada hasta que el administrador del sistema habilite un

nuevo password de acceso al sistema.

Page 88: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

71

(Fuente: Elaboración propia)

3.3.2.2 Formulario Principal

Esta ventana principal llamada “Sistema de ensayos de probetas de concreto”

permite administrar todo el sistema y es el contenedor de otras ventanas

secundarias que forman parte del sistema. Esta ventana dispone de botones de

acceso directo identificados por íconos de uso común para una mejor identificación

y fácil acceso.

[Archivo]:

▪ Nuevo Ensayo

▪ Clientes

▪ Abrir ensayo

▪ Guardar Ensayo

▪ Guardar como / Exportar

▪ Imprimir

[Configuración]:

• Comunicación

Figura 62: Software - formulario ingreso al sistema

Page 89: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

72

• Ensayo

• Calibración

(Fuente: Elaboración propia)

3.3.2.3 Formulario de comunicación

Esta ventana es una de las más importantes en la funcionalidad del sistema, la cual

tiene como función principal conectar y establecer la comunicación entre el PLC y

el software.

Está diseñado de tal manera que sea visual para identificar un estado “Conectado”

de color verde cuando el software establezca la comunicación con el PLC y “No

Conectado” de color rojo, bajo este estado no es posible realizar ningún ensayo en

tiempo real, sólo permite visualizar y cargar ensayos almacenados en la base de

datos.

Uno de los valores importantes es la dirección IP, este número de IP debe ser y

estar dentro de la red a la cual pertenece el PLC. Tener en cuenta que el IP del

computador no debe ser automático, se debe establecer un IP estático con un

número de la misma red a la cual pertenece.

Figura 63: Software - formulario principal del sistema

Page 90: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

73

(Fuente: Elaboración propia)

Programación:

Public Class Frm_Conexion Private Sub Button1_Click(sender As Object, e As EventArgs) Handles Cmd_Conectar.Click localMPI = 0 IP = Txt_Ip1.Text & "." & Txt_Ip2.Text & "." & Txt_Ip3.Text & "." & Txt_Ip4.Text rack = Txt_Rack.Text : slot = Txt_Slot.Text NDb = Txt_DB.Text : NDir = Txt_Dir.Text : NByt = Txt_Cant.Text fds.rfd = libnodave.openSocket(102, IP) fds.wfd = fds.rfd If fds.rfd > 0 Then di = New libnodave.daveInterface(fds, "IF1", localMPI, libnodave.daveProtoISOTCP, libnodave.daveSpeed187k) di.setTimeout(1000000) res = di.initAdapter If res = 0 Then dc = New libnodave.daveConnection(di, localMPI, rack, slot) res = dc.connectPLC() If res = 0 Then Cmd_Conectar.Enabled = False Cmd_Desconectar.Enabled = True Lbl_Coneccion.Text = "Conectado!" : Lbl_Coneccion.ForeColor = Color.Black : Lbl_Coneccion.BackColor = Color.MediumSpringGreen Coneccion = True Else Cmd_Conectar.Enabled = False Cmd_Desconectar.Enabled = True

Figura 64: Software - formulario de configuración de comunicación

Page 91: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

74

Figura 65: Comunicación incorrecta

Lbl_Coneccion.Text = "No Conectado!" : Lbl_Coneccion.ForeColor = Color.White : Lbl_Coneccion.BackColor = Color.Red MsgBox("Problemas con la conexion con el PLC!, Imposible conectar!") Coneccion = False End If End If Else Lbl_Coneccion.Text = "No Conectado!" : Lbl_Coneccion.ForeColor = Color.White : Lbl_Coneccion.BackColor = Color.Red MsgBox("Problemas con el número de IP y protcolo de comunicación!, Imposible conectar!") Coneccion = False End If End Sub

(Fuente: Elaboración propia)

Private Sub Cmd_Desconectar_Click(sender As Object, e As EventArgs) Handles Cmd_Desconectar.Click

dc.disconnectPLC() If Coneccion = True Then Cmd_Conectar.Enabled = True Cmd_Desconectar.Enabled = False

Lbl_Coneccion.Text = "No Conectado!" : Lbl_Coneccion.ForeColor = Color.White : Lbl_Coneccion.BackColor = Color.Red

Coneccion = False Else Cmd_Conectar.Enabled = False Cmd_Desconectar.Enabled = True

Lbl_Coneccion.Text = "Conectado!" : Lbl_Coneccion.ForeColor = Color.Black : Lbl_Coneccion.BackColor = Color.MediumSpringGreen

Coneccion = True End If End Sub

Private Sub Frm_Conexion_Load(sender As Object, e As EventArgs) Handles MyBase.Load If Coneccion = True Then Cmd_Conectar.Enabled = False Cmd_Desconectar.Enabled = True

Lbl_Coneccion.Text = "Conectado!" : Lbl_Coneccion.ForeColor = Color.Black : Lbl_Coneccion.BackColor = Color.MediumSpringGreen

Coneccion = True Else Cmd_Conectar.Enabled = True Cmd_Desconectar.Enabled = False

Page 92: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

75

Lbl_Coneccion.Text = "No Conectado!" : Lbl_Coneccion.ForeColor = Color.White : Lbl_Coneccion.BackColor = Color.Red

Coneccion = False End If End Sub End Class

(Fuente: Elaboración propia)

3.3.2.4 Formulario de Registro del Cliente

Esta ventana permite ingresar los datos de los clientes para ser almacenados en la

base de Datos, de esta manera, permite acceder a esta información y visualizar los

resultados de los ensayos anteriores cuando sea requerido.

➢ Nombre del cliente

➢ RUC

➢ Dirección

➢ Responsable

➢ Teléfono

➢ Correo electrónico

Figura 66: Software - prueba de conexión

Page 93: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

76

3.3.2.5 Formulario de Configuración de ensayo

Esta ventana permite configurar el tipo de muestra a ensayar, la configuración

seleccionada se guarda en una tabla de configuración de la base de datos de tal

manera que quede disponible por defecto para los siguientes ensayos.

➢ Sistema de medidas.

➢ Diámetro y Altura.

➢ Unidades.

➢ Porcentaje de falla.

(Fuente: Elaboración propia)

3.3.2.6 Formulario de Ajuste y Calibración

Esta ventana tiene por finalidad que el software guarde los factores de corrección

(Offset) de la calibración de cada uno de los puntos usados en el procedimiento de

calibración. Ver sección 3.4.2.

Este procedimiento debe realizarse con una celda patrón certificado y que cumpla

los estándares y normativas nacionales o internacionales para una mayor

trazabilidad.

Figura 67: Software - formulario configuración de parámetros de ensayo

Page 94: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

77

(Fuente: Elaboración propia)

3.3.2.7 Formulario de Visualización de ensayos almacenados

Esta ventana permite buscar, ubicar y visualizar un ensayo almacenado

previamente en la base de datos, esta visualización muestra resultados como

Fecha, ID, Cliente, datos de muestra y datos del ensayo.

3.3.2.8 Formulario de Ensayo

Esta ventana es la más importante del sistema debido a que es la ventana que

permite recibir la fuerza aplicada a la muestra y graficarla para una mejor

visualización del ensayo en tiempo real.

La lógica de programación permite detectar el porcentaje de falla de la muestra y

terminar el ensayo de forma automática si en caso cumpla las condiciones

configuradas.

Figura 68: Formulario de calibración

Page 95: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

78

Figura 70: Diagrama de flujo

(Fuente: Elaboración propia)

Al terminar el ensayo de modo manual o automático muestra el valor de resistencia

a la cual la muestra ha sido sometida.

El color de los botones permite identificar de forma práctica y rápida si la bomba

está encendida o apagada, asimismo, si el ensayo se encuentra en curso o está

disponible para un nuevo ensayo.

Esta ventana permite también Encender / Apagar la bomba hidráulica como una

prueba antes de proceder con el ensayo.

(Fuente: Elaboración propia)

Diagrama de flujo

Figura 69: Software - formulario de ensayo de probetas de concreto

Page 96: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

79

Programación:

Public Class Frm_Conexion Private Sub Button1_Click(sender As Object, e As EventArgs) Handles Cmd_Conectar.Click

localMPI = 0 IP = Txt_Ip1.Text & "." & Txt_Ip2.Text & "." & Txt_Ip3.Text & "." & Txt_Ip4.Text

rack = Txt_Rack.Text : slot = Txt_Slot.Text NDb = Txt_DB.Text : NDir = Txt_Dir.Text : NByt = Txt_Cant.Text fds.rfd = libnodave.openSocket(102, IP) fds.wfd = fds.rfd If fds.rfd > 0 Then

di = New libnodave.daveInterface(fds, "IF1", localMPI, libnodave.daveProtoISOTCP, libnodave.daveSpeed187k)

di.setTimeout(1000000) res = di.initAdapter If res = 0 Then dc = New libnodave.daveConnection(di, localMPI, rack, slot) res = dc.connectPLC() If res = 0 Then Cmd_Conectar.Enabled = False Cmd_Desconectar.Enabled = True

Lbl_Coneccion.Text = "Conectado!" : Lbl_Coneccion.ForeColor = Color.Black : Lbl_Coneccion.BackColor = Color.MediumSpringGreen

Coneccion = True Else Cmd_Conectar.Enabled = False Cmd_Desconectar.Enabled = True

Lbl_Coneccion.Text = "No Conectado!" : Lbl_Coneccion.ForeColor = Color.White : Lbl_Coneccion.BackColor = Color.Red MsgBox("Problemas con la conexion con el PLC!, Imposible conectar!")

Coneccion = False End If End If Else

Lbl_Coneccion.Text = "No Conectado!" : Lbl_Coneccion.ForeColor = Color.White : Lbl_Coneccion.BackColor = Color.Red MsgBox("Problemas con el número de IP y protcolo de comunicación!, Imposible conectar!")

Coneccion = False End If End Sub

Private Sub Cmd_Desconectar_Click(sender As Object, e As EventArgs) Handles Cmd_Desconectar.Click

dc.disconnectPLC() If Coneccion = True Then Cmd_Conectar.Enabled = True Cmd_Desconectar.Enabled = False

Lbl_Coneccion.Text = "No Conectado!" : Lbl_Coneccion.ForeColor = Color.White : Lbl_Coneccion.BackColor = Color.Red

Coneccion = False Else Cmd_Conectar.Enabled = False Cmd_Desconectar.Enabled = True

Lbl_Coneccion.Text = "Conectado!" : Lbl_Coneccion.ForeColor = Color.Black : Lbl_Coneccion.BackColor = Color.MediumSpringGreen

Page 97: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

80

Coneccion = True End If End Sub

Private Sub Frm_Conexion_Load(sender As Object, e As EventArgs) Handles MyBase.Load If Coneccion = True Then Cmd_Conectar.Enabled = False Cmd_Desconectar.Enabled = True

Lbl_Coneccion.Text = "Conectado!" : Lbl_Coneccion.ForeColor = Color.Black : Lbl_Coneccion.BackColor = Color.MediumSpringGreen

Coneccion = True Else Cmd_Conectar.Enabled = True Cmd_Desconectar.Enabled = False

Lbl_Coneccion.Text = "No Conectado!" : Lbl_Coneccion.ForeColor = Color.White : Lbl_Coneccion.BackColor = Color.Red

Coneccion = False End If End Sub End Class

Nota: el código de programación mostrada es parte del código total del proyecto

(Fuente: Elaboración propia)

Figura 71: Software - gráfica de ensayo

Page 98: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

81

3.4 Puesta en marcha y calibración

Objetivo: Realizar puesta en marcha, procedimiento de ajuste y calibración de la máquina

de compresión haciendo uso de patrones trazables nacionales e internacionales

de tal manera que garantice que los resultados del ensayo estén dentro del 1%

de error exigido por la NTP y ASTM.

3.4.1 Ajustes de parámetros de ensayo

Durante las pruebas de servicio de la máquina de compresión se observó que la

gráfica de ensayo empieza a tomar datos desde el momento que se inicia el ensayo,

inclusive durante el proceso en la cual la muestra no hizo contacto con la muestra;

Si bien es cierto, que el operador/usuario antes de ejecutar el ensayo se debe

asegurar que la muestra haya hecho contacto con el cabezal superior, es un error

que puede ocurrir en cualquier momento.

(Fuente: Elaboración propia)

Figura 72: Gráfica donde se observa datos durante la etapa de no contacto con la muestra

Page 99: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

82

Para evitar que este error sea significativo en un ensayo, se implementa un código

a la programación del software de tal manera que la gráfica y el ensayo empiece a

tomar datos desde el contacto con la muestra, es decir cuando el software detecte

una presión equivalente a 100 kgf.

Figura 73: Gráfica con datos desde el contacto con la muestra

(Fuente: Elaboración propia)

En la gráfica siguiente se observa que a pesar de estar configurado para que el

ensayo termine al 5% del pico de carga aplicada, el ensayo continúa y no se detiene;

es decir, el ensayo debería haber terminado cuando el valor de carga sea 12,402

kg aproximadamente.

(Fuente: Elaboración propia)

Figura 74: Software no detecta el 5% del nivel de falla

Page 100: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

83

Cálculo:

Al realizar varios ensayos y revisando el código del software se observa que la

velocidad de lectura es de un (01) dato por segundo durante el ensayo, se analiza

el cambio de valores provenientes del trasmisor de presión y se observa que los

valores enviados al software son a una velocidad mayor que la velocidad de

procesamiento del software, razón por la cual el software no actúa hasta la lectura

del segundo siguiente; para corregir esta observación se modifica la programación

para que la lectura y procesamiento de datos sea cada 0.30 segundos, de esta

manera se mejora notablemente el proceso de término de ensayo de manera

automática.

En estas segundas pruebas no se observa el segundo pico de carga como se ve en

la figura 65, consiguiendo corregir este error de término de ensayo automático

según el porcentaje de nivel de falla configurado.

Carga máxima aplicada: 13,055 kgf

Nivel de falla: 5% del pico máximo

Resultado:

= 5%(13,055) = 13,055 – 652.75 = 12,402 +/- 1%

Page 101: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

84

(Fuente: Elaboración propia)

3.4.2 Calibración en laboratorio usando patrón trazable

Este procedimiento consiste en ajustar el valor de corrección (offset) de los 10

puntos de calibración. Este factor es almacenado en la tabla Gains de la base de

datos y es usado por el software para corregir los valores de carga durante el

ensayo.

Para esta calibración se usa una celda patrón certificada internacionalmente, de

esta manera se garantiza que los valores mostrados por el software y la máquina

cumplan las normativas nacionales e internacionales.

Para este caso, se usa una celda patrón hasta 300 kN, es decir hasta 50,000 lbf,

que corresponde hasta el punto número 7, si el cliente requiere realizar ensayos a

mayor carga se debe realizar un nuevo procedimiento de calibración en las

instalaciones del cliente con celdas patrones hasta 250,000 ó 500.000 lbf.

Figura 75: Software con nivel de falla corregido

Page 102: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

85

(Fuente: Elaboración propia)

Ejemplo de Calibración

Unidad de calibración: Punto de calibración: Valor de calibración:

Al llegar al quinto punto de calibración teórico (17,500 lbs), el software lee los

valores de voltaje (en mV) proveniente del trasmisor de presión y valor de carga.

Al observar el valor de carga de la celda patrón aproximadamente a 17,500 lbs

presionar en el software el botón [Aceptar valor], inmediatamente el software tomará

el nuevo valor de mV y el valor de carga, estos valores serán almacenadas en la

base de datos. Este procedimiento se debe realizar para todos los puntos de la

calibración.

Figura 76: Calibración de máquina de compresión

Lbf 05 17,500.00

Page 103: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

86

Para tener mayor precisión en la calibración, la velocidad de ensayo debe ser lo

más lento posible para que los valores medidos del trasmisor no tengan un cambio

brusco y se pueda realizar el procedimiento de manera más exacta.

(Fuente: Elaboración propia)

En la gráfica anterior se observa una curva de calibración del valor de carga teórico

Vs valor de carga leído por el software con un factor de corrección de

aproximadamente 1; si el factor de corrección es mayor que 1 se debe volver a

realizar la calibración, para tal caso, se debe analizar que punto de calibración está

por encima del 1% permitido.

Pendiente: 𝑚 =(𝑦2−𝑦1)

(𝑥2−𝑥1)

𝑦 = 𝑚𝑥 + 𝑏

y = 0.9994(x)-12.911

Figura 77: Curva de Calibración de máquina de compresión

Page 104: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

87

Tabla 13: Tabla de Error de Calibración en laboratorio

Fuente: Elaboración propia

Luego de la calibración se observa que el valor de error unitario es menor que el

1% que es el porcentaje de error permitido por las normativas.

3.4.3 Calibración en instalaciones del Cliente

Durante las pruebas de calibración realizadas en el laboratorio de desarrollo se

encontró un error menor del 1%, pero al realizar una verificación de calibración en

las instalaciones del cliente ubicado en Minera Cerro verde se detectó un error

mayor del 1%.

Valor Celda patrón

(Y)

Valor indicado en el software

(X)

Y’ = mx + b Error X/Y

(%) Error y’/y

(%)

0 0 0.0 0 0

2500 2480 2491.4 -0.80 -0.34

5000 4970 4979.9 -0.60 -0.40

10000 9970 9976.9 -0.30 -0.23

17500 17490 17492.4 -0.06 -0.04

25000 24980 24977.9 -0.08 -0.09

50000 49950 49932.9 -0.10 -0.13

Promedio (%) -0.32 -0.21

Page 105: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

88

Tabla 14: Tabla de Error de Calibración en instalaciones del cliente

Fuente: Elaboración propia

Este error se debe a dos razones principales: a) Variación de presión atmosférica

debido a la altura donde se ubica la minera que es 2,700 msnm, b) Ruido eléctrico

en el sistema lo que causa una alteración del valor zero.

(Fuente: Elaboración propia)

Valor Celda patrón

(Y)

Valor indicado en el software

(X)

Error X/Y

(%)

0 10 >1%

2500 2520 0.80

5000 5020 0.40

10000 10100 1.00

17500 17730 1.31

25000 25200 0.80

50000 50530 1.06

Figura 78: Calibración 2 de Máquina de compresión

Page 106: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

89

3.4.4 Límite de detección instrumental y límite de cuantificación

En el procedimiento de calibración realizada en Minera Cerro Verde se comprobó

que el ruido eléctrico en el sistema altera el valor de punto zero, para solucionar

este problema se implementa un procedimiento comúnmente aplicado en

instrumentos de medición química como son el límite de detección instrumental

(LDI) y el límite de cuantificación (LC).

Esta metodología analítica está basada en modelos estadísticos como son:

varianza, desviación estándar, media y otros.

El límite de detección instrumental (LDI) consiste en determinar el valor mínimo

detectable por el sistema, es decir, el valor mínimo que el sistema puede mostrar

valores, menores a estos se debe considerar como valor 0.00.

El límite de cuantificación (LC) consiste en hallar el valor mínimo que el sistema

pueda garantizar una confiabilidad mínima del 96%, es decir, cualquier valor de

carga por encima del LC tiene un grado de confianza cercano al 100%.

El LDI y el LC deben realizarse en cada lugar donde el equipo vaya a trabajar, de

esta manera se garantiza que el sistema detecte de forma correcta el valor zero y

los puntos de medición.

Procedimiento para hallar el Límite de detección instrumental (LDI):

✓ Tomar 03 grupos de 10 lecturas sin carga en horarios diferentes, es decir, el

equipo debe estar inicializado con todo el sistema encendido incluyendo la

bomba hidráulica.

✓ Anotar el valor de carga visualizada en el software.

✓ Calcular la varianza de cada grupo de datos (S).

✓ Calcular la desviación estándar de cada grupo de datos (S2).

✓ Calcular el LDI x 3 por cada grupo

Page 107: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

90

✓ Calcular el promedio LDI de los 03 grupos

Tabla 15: Toma de datos de valor zero para hallar el límite de detección (LDI

21/09/2018 kgf 21/09/2018 kgf 21/09/2018 kgf

zero 1 0.04 zero 1 0.28 zero 1 0.19

zero 2 -0.28 zero 2 0.15 zero 2 0.12

zero 3 0.87 zero 3 -0.31 zero 3 -0.03

zero 4 -0.83 zero 4 0.10 zero 4 0.94

zero 5 0.38 zero 5 0.10 zero 5 -0.24

zero 6 0.78 zero 6 0.59 zero 6 0.07

zero 7 0.21 zero 7 0.39 zero 7 -0.19

zero 8 -0.12 zero 8 -0.19 zero 8 0.99

zero 9 0.09 zero 9 -0.64 zero 9 -0.37

zero 10 0.12 zero 10 0.99 zero 10 0.93

Desv. std 0.495 Desv. std 0.463 Desv. std 0.520

LDI- 1 1.484 LDI- 2 1.389 LDI - 3 1.561

PROMEDIO LDI 1.48 kgf

LDI x 10 15 kgf

Fuente: Elaboración propia

Procedimiento para hallar el Límite de cuantificación (LC):

✓ Multiplicar el valor de LD hallado anteriormente con una constante de carga

igual a 10.

✓ Cargar la máquina una presión de carga de 15 Kgf (1.48 x 10).

Page 108: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

91

✓ Tomar 03 grupos de 10 lecturas en horarios diferentes y con la misma presión

de carga.

✓ Anotar el valor de carga visualizada en el software.

✓ Calcular la varianza de cada grupo de datos (S).

✓ Calcular la desviación estándar de cada grupo de datos (S2).

✓ Calcular el LDM x 3.14 que corresponde a un grado de confiabilidad del 96%.

✓ Calcular el promedio LDM de los 03 grupos

✓ Calcular el límite de cuantificación (LC)

Tabla 16: Datos de cálculo de Límite de cuantificación (LC)

24/09/2018 kgf 25/09/2019 kgf 26/09/2018 kgf

solMDL-A1 14.60 solMDL-A1 15.56 solMDL-A1 15.58

solMDL-A2 15.06 solMDL-A2 15.69 solMDL-A2 15.06

solMDL-A3 15.59 solMDL-A3 15.56 solMDL-A3 15.57

solMDL-A4 15.58 solMDL-A4 15.59 solMDL-A4 15.05

solMDL-A5 15.54 solMDL-A5 15.58 solMDL-A5 15.59

solMDL-A6 15.07 solMDL-A6 15.62 solMDL-A6 15.63

solMDL-A7 15.57 solMDL-A7 15.63 solMDL-A7 15.56

Desv. std 0.387 Desv. std 0.046 Desv. std 0.260

LDM- 1 1.215 LDM - 2 0.146 LDM - 3 0.817

PROMEDIO LDM

0.73 kgf

LC = LDMx 3,33

2.42 kgf

Fuente: Elaboración propia

Page 109: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

92

3.4.5 Control de velocidad de ensayo

Durante el proceso de configuración del ensayo en el software, se debe seleccionar

las dimensiones de la probeta a ensayar como muestra la figura siguiente:

(Fuente: Elaboración propia)

Al seleccionar las dimensiones de la probeta, y según el voltaje hallado en la sección

3.2.4.3 (caracterización de la velocidad del regulador de flujo) se analizó que para

mantener una velocidad de ensayo exigido por la norma de 35 psi/s (0.25 Mpa/s)

+/- 20% , se debe hallar la velocidad de ensayo para cada dimensión de probeta.

Cálculo de área para muestra de 30 x 15 cm:

𝑨 = (𝝅𝑫2

4) = (

3.14(𝟏𝟓2)

4) = 176.63 𝑐𝑚2

Cálculo de velocidad:

Velocidad de la norma:

0.25 Mpa/seg <> 2.549 kgf/cm2 / seg

Figura 79: Formulario de configuración de ensayo

Page 110: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

93

Cálculo de presión por unidad de tiempo en segundos:

(Presión x Area)

𝑷 = (2.549 𝑘𝑔𝑓/𝑐𝑚2)

seg) 𝑥 (176.63𝑐𝑚2)

𝑃 = 450.41 𝑘𝑔𝑓/𝑠𝑒𝑔

De acuerdo a los cálculos la velocidad de ensayo para cada dimensión de probeta

es:

Tabla 17: Velocidad de ensayo para dimensiones de probeta

Fuente: Elaboración propia

Esto quiere decir que para una muestra de 30 x 15 cm, la bomba hidráulica y la

válvula reguladora de presión debe mantener una velocidad de 450 kgf/seg +/- 20%

durante todo el proceso de ensayo de la probeta de concreto.

Dimensiones de la

probeta (Altura x

Diámetro)

(cm)

Área superficial

de la muestra

(cm2)

Velocidad de

ensayo

(Kgf/seg)

10 X 5 19.63 50

15 X 7.5 44.16 112

20 X 10 78.50 200

30 X 15 176.63 450

Page 111: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

94

CAPÍTULO 4

RESULTADOS

4.1 Resultados

4.1.1 Ensayo de probetas de concreto

Estos ensayos se realizan con una probeta de concreto referencial:

Unidades: Sistema métrico (Kg, cm, Kg/cm2)

Muestra: 30cm (Alto) x 15cm (Diámetro)

Resistencia teórica:

𝐴𝑟𝑒𝑎 (𝑐𝑚2) = π x (𝐷

2)2

𝐴𝑟𝑒𝑎 (𝑐𝑚2) = 3.14 x (15

2)2

= 3.14 x (7.5)2

= 176.63 cm2

𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 (𝐾𝑔

𝑐𝑚2) =

𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑀á𝑥 (𝐾𝑔)

𝐴𝑟𝑒𝑎 (𝑐𝑚2)

𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 (𝐾𝑔

𝑐𝑚2) =

12679(𝑘𝑔𝑓)

176.63 (𝑐𝑚2)

= 0.39 kg/cm2

Page 112: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

95

(Fuente: Elaboración propia)

(Fuente: Elaboración propia)

Figura 80: Ensayo de probetas de concreto baja resistencia

Figura 81: Ensayo de probeta de concreto alta resistencia

Page 113: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

96

4.1.2 Exportación de datos

Se realizaron varios ensayos y fueron exportados a una tabla Excel.

(Fuente: Elaboración propia)

Figura 82: Ensayo - Exportación de ensayos a Microsoft Excel

Page 114: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

97

4.1.3 Certificado de calibración en instalaciones del cliente

CERTIFICADO DE CALIBRACIÓN

(Fuente: Elaboración propia)

Production/Service Date: diciembre 10, 2018

Each ELE brand Compression Tester is calibrated certified test equipment traceable to the National Institute of Standards and Technology.

Model # 36-0690/06 Serial # 130800084

Calibration Data

Indicated Load (lbs)

Actual Load (lbs)

Millivolt Signal % Error

0 0 57.8 N/A

2500 2480 141.4 -0.8%

5000 4970 225.3 -0.6%

10000 9970 393.1 -0.3%

17500 17490 643.8 -0.1%

25000 24980 894.2 -0.1%

50000 49950 1728.8 -0.1%

100000 99990 3398.1 0.0%

175000 174990 5892.3 0.0%

250000 250020 8382.8 0.0%

Test Equipment used:

Serial # Class 1 kN NIST Lab # Cal Date

940830C 300.00 1805017 21-05-2018

Figura 83: Certificado de calibración

Page 115: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

98

4.2 Costos

Mano de obra de personal:

Fuente: Elaboración propia

Tabla 19: Presupuesto - costo en etapa de implementación y puesta en servicio

Fase 3: Implementación y pruebas

Fase 4: Puesta en servicio y calibración

Personal

responsable

Sueldo

promedio

mensual

S/

Horas

asignado

Días

trabajados

Costo de

personal

S/

Gestor y supervisor

del proyecto

4,500.00 1 15 383.55

Programador 4,500.00 4 15 1,534.09

Técnico electrónico 2,500.00 8 10 1,136.36

Sub Total S/ 3,054.00

Fuente: Elaboración propia

Tabla 18: Presupuesto - costo en etapa de análisis y diseño

Fase 1: Levantamiento de información

Fase 2: Análisis y diseño del proyecto

Personal

responsable

Sueldo

promedio

mensual

S/

Horas

asignado

Días

trabajados

Costo de

personal

S/

Gestor y supervisor

del proyecto

4,500.00 4 22 2,250.00

Asistente 1,500.00 1 15 127.84

Sub Total S/ 2,377.84

Page 116: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

99

Fuente: Elaboración propia

Materiales y componentes

Tabla 21: Presupuesto - costo de materiales e insumos

Descripción Marca Cantidad Precio

Unit. S/. Importe S/

Papel bond Report 2 millar 13.00 26.00

Útiles oficina - 1 120.00 120.00

Laptop * Asus 1 3,500.00 596.59

Impresora * Xerox 1 2800.00 477.27

Sub total S/ 1,219.86

*: El importe es calculado como valor de uso por depreciación en 2 años

Fuente: Elaboración propia

Tabla 20: Presupuestos - costos en etapa de demostración y capacitación

Fase 5: Demostración y capacitación

Personal

responsable

Sueldo

promedio

mensual

S/

Horas

asignado

Días

trabajado

s

Costo de

personal

S/

Gestor y supervisor

del proyecto

4,500.00 8 2 409.09

Sub total S/ 409.09

Page 117: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

100

Fuente: Elaboración propia

Tabla 23: Presupuesto - costos de Instrumentación

*: El importe es calculado como valor de uso por depreciación en 2 años

Fuente: Elaboración propia

Tabla 22: Presupuesto - costo de software

Descripción Marca Cantidad Precio

Unit. S/. Importe S/

Office * Microsoft 1 0.00 0.00

Visual Estudio * Microsoft 1 0.00 0.000

Sub total S/ 0.00

Descripción Marca Cantidad Precio

Unit. S/. Importe S/

Multímetro * Fluke 1 2,500.00 426.14

Software Tia

Portal V4

Siemens 1 1,022.72 1,022.72

Sub total S/ 1,448.86

Page 118: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

101

Tabla 24: Presupuesto - costo de componentes eléctricos - electrónicos

Descripción Marca Cantidad Precio

Unit. S/. Importe S/

PLC Simatic S7-1200 Siemens 01 1,146.78 1,146.78

Fuente alimentación Logo Siemens 01 370.52 370.52

Modulo Señal +/- 10 VDC / 0-20

mAmp

Siemens 01 560.00 560.00

Válvula check 220v 60Hz Ele 01 1,550.00 1,550.00

Válvula reguladora de flujo 220v

60Hz **

Ele 01 6,736.63 6,736.63

Cableado y otros materiales - 01 220.00 720.00

Sub total S/ 11,083.93

Fuente: Elaboración propia

Tabla 25: Presupuesto - costo de componentes metal mecánico

Fuente: Elaboración propia

Descripción Marca Cantidad Precio

Unit. S/.

Importe

S/

Estructura metálica - Pintado - 01 1,561.45 1,561.45

Sub total S/ 1,561.45

Page 119: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

102

4.3 Presupuesto comercial

Tabla 26: Presupuesto - estimación de valor de venta del producto

Descripción Importe S/

1 Costo de mano de obra de personal 5,840.93

2 Costo de materiales, insumos y componentes 15,314.10

Total de Inversión (Egresos) S/ 21,152.00

Margen utilidad (30%) S/ 9,065.14

3 Gastos administrativos y operativos 1,000.00

Valor de venta total del prototipo S/ 31,217.14

Fuente: Elaboración propia

Precio de venta sugerido de todo el proyecto

Tabla 27: Presupuesto - precio de venta proyectado de todo el proyecto

Precio Costo

prototipo S/

Costo sin fase de

análisis y diseño S/

Cantidad

máquinas

Importe

Total

21,152.00 16,950.00 17 288,150.00

(-) Descuento por compra de materiales en cantidades 14,407.05

Sub total S/ 273,742.95

(+) Margen utilidad (30%) S/ 117,318.41

(+) Gastos por desplazamiento personal a 17 sucursales S/ 51,000.00

Valor de venta total S/ 442,061.36

Fuente: Elaboración propia

Page 120: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

103

4.4 Flujo de caja

Tabla 28: Presupuesto - Flujo de caja

Ítem Descripción Precio S/ Mes 1 Mes 2 Mes 3 Mes 4

EGRESOS (INVERSION)

01 Costos Directos

Componentes eléctricos 13,752.65 13,752.65

Componentes metal

mecánico 1,561.45 1,561.45

02 Costos profesionales

Gestor y supervisor del

proyecto 3,042.64 2,250.00 383.55 409.09

Asistente 127.84 63.92 31.96 31.96

Programador 1,534.09 1,534.09

Técnico electrónico 1,136.36 1,136.36

A

Total costos

Directos y

Profesionales

(01 + 02)

21,155.03 16,066.57 4,647.41 441.05

B Margen de

Utilidad (30%) 9,065.14 6,885.67 1,991.75 189.02

Total (A+B) 30,220.17 22,952.24 6,639.16 630.07

03 Gastos generales

Gastos administrativos 1,000.00 250.00 250.00 500.00

Presupuesto Total del

proyecto (Valor Venta

sin IGV)

31,220.17 23,202.24 6,889.16 1,130.07

INGRESOS

Ingresos (50%, 50%) 15,610.09 15,610.09

Fuente: Elaboración propia

Page 121: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

104

Page 122: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

104

4.5 Cronograma

Nro Actividad

Mes 1 Mes 2 Mes 3 1

Sem 2

Sem 3

Sem 4

Sem 1

Sem 2

Sem 3

Sem 4

Sem 1

Sem 2

Sem 3

Sem

4 Sem

Levantamiento de Información

1 Analizar especificaciones técnicas de la solicitud del cliente.

2 Visita técnica in-situ para analizar problemática del cliente.

3 Leer normas técnicas peruanas (NTP) e internacionales ASTM.

4 Análisis de otros proyectos similares.

Análisis y diseño propuesto

5 Análisis del diagrama eléctrico actual de la máquina.

6 Análisis y comparación de componentes.

7 Diseño eléctrico del prototipo - propuesta inicial.

8 Diseño de software.

9 Implementación y pruebas

10 Compra de componentes eléctricos, electrónicos e hidráulicos

11 Implementación del módulo de comunicación (Hardware).

12 Implementación del módulo de control (Hardware).

13 Pruebas y ajuste de transductor de presión y electroválvulas.

14 Desarrollo de módulo de software de comunicaciones.

15 Desarrollo de ventanas de interface y módulos de reporte e impresión.

16 Pruebas generales

Puesta en servicio y calibración.

17 Instalación e implementación en máquina del cliente.

18 Pruebas de funcionamiento in-situ.

19 Ajuste y calibración de transductor de presión según ASTM.

20 Demostración y capacitación 21 Demostración de cumplimiento de especificaciones técnicas

solicitadas.

22 Capacitación en uso y manejo del equipo y software.

23 Realización de ensayo completo con muestras según NTP y ASTM. Tabla 29: Cronograma de actividades

Page 123: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

105

CONCLUSIONES

1. El análisis del procedimiento de ensayo y el diagnóstico completo realizado a una

máquina automática inoperativa, incidió positivamente en el proyecto porque permitió

que el diseño propuesto sea compatible con las 18 máquinas del cliente.

2. Con la metodología de aplicación de tecnologías (Automatización electrónica, Software

y base de datos) permitió reusar y habilitar una máquina obsoleta e inoperativa a bajos

costos de inversión en comparación con una nueva máquina importada, logrando así

reinsertar un producto a la continuidad operativa.

3. Se logró implementar una interfaz de software capaz de controlar y realizar ensayos de

probetas de concreto desde el computador de manera automática, visualizando en

tiempo real una gráfica, exportando datos a una hoja de cálculo y texto; con este sistema

la participación del usuario durante el ensayo se reduce a colocar y retirar la muestra de

tal manera que se anula el error de toma y manipulación de datos.

4. Con las pruebas y mediciones realizadas, se determinó que con un voltaje de 188 a 193

VAC de suministro a la válvula reguladora de presión se obtiene una velocidad en el

rango de 35 PSI/s +/- 20% para el ensayo, y de 200 VAC +/-10% para la velocidad de

contacto en el rango 00 PSI/s +/- 10 PSI/s; asimismo, se logró obtener una curva de

calibración lineal con una variación menor del 1% que corresponde a la tolerancia de

error permitido por la NTP y el ASTM.

Page 124: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

106

RECOMENDACIONES

1. Realizar el procedimiento de calibración después de ejecutar algún tipo de

mantenimiento preventivo o correctivo a la máquina de compresión. De la misma

manera, cuando el equipo sea trasladado a otro lugar diferente del lugar donde fue

calibrado.

2. Usar aceite hidráulico tipo grado ISO 46 debido a que es una recomendación del

fabricante de la bomba hidráulica; usar otro tipo de aceite puede ocasionar un

desgaste acelerado de partes internas y micro fugas de aceite por los sellos de la

bomba hidráulica.

3. La verificación de los valores de calibración debe realizarse usando un patón

trazable por alguna empresa nacional o internacional, asimismo, se debe asegurar

que los valores de corrección sean ingresados al software para garantizar una

tolerancia de error menor del 1%.

Page 125: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

107

BIBLIOGRAFÍA

AGREDO, Martha. QUINTANA Julián. FLOREZ, Juan (2015); Diseño y pruebas de un sistema de monitoreo y supervisión para una máquina universal de ensayos; Colombia. Recuperado de http://ojs.uac.edu.co/index.php/prospectiva/article/view/484

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ASTM (2001). C 39/C 39M; Standard test method for compressive strenhth of cylynder concrete specimens; USA

BLANCO, Antonio.(); Evolución del diseño en concreto armado en el Perú; Publicado: http://blog.pucp.edu.pe/blog/wp-content/uploads/sites/109/2007/10/AB-1-Evolucion-del-CA.pdf.

CORRALES, Andrés (2016); Implantación de un sistema de gestión de la calidad según ISO 9001 en empresa de certificación en ensayos no destructivos; Madrid; España: Universidad Politécnica de Madrid. Recuperado de http://oa.upm.es/44096/1/PFC_ANDRES_CORRALES_OJEADO.pdf

MORENO, Gloria. LÓPEZ, Jorge. MALAGÓN, Oscar. HENAO, Juan (2006); Diseño y construcción de una máquina básica de ensayos destructivos de tracción y torsión; Bogotá; Colombia: Universidad de San Buenaventura. Recuperado de http://biblioteca.usbbog.edu.co:8080/Biblioteca/BDigital/37959.pdf

NTP (2008); 339-034 Método de ensayo normalizado para la determinación de la resistencia a la compresión del concreto, en nuestras cilíndricas.

RINCÓN, Rafael (2002); Modelo para la implementación de un sistema de gestión de la calidad basado en la Norma ISO 9001; España: Revista Universidad EAFIT. Recuperado de http://publicaciones.eafit.edu.co/index.php/revista-universidad-eafit/article/download/947/852/

RODRIGUEZ, David (2017); Diseño e implementación de la automática en un banco de ensayos a tracción; Valencia; España: Universidad politécnica de Valencia. Recuperado de https://riunet.upv.es/handle/10251/98230

Page 126: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

108

ROJAS, Manuel. CARDENAS, Alejandro. TORRES, Jorge. ALMENGOR, Raúl (2008); Mejoras y evaluación operativa de una máquina de ensayos a tracción y/o compresión. Santiago de Querétaro; México: Simposio de metrología – Universidad Autónoma de Chapingo – Centro Nacional de Metrología. Recuperado de https://www.cenam.mx/simposio2008/sm_2008/memorias/M2/SM2008-M231-1167.pdf

VALDÉZ, GUAJARDO (2017); Desarrollo y optimización de la interfaz para la medición e interpretación de las pruebas de tensión en máquinas universales, mediante el uso de la instrumentación virtual. Coahuila; México: Universidad tecnológica del norte de Coahuila. Recuperado de http://www.pag.org.mx/index.php/PAG/article/view/707

Page 127: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

109

GLOSARIO

MTC (Ministerio de Transporte y comunicaciones): Órgano ejecutivo del Estado Peruano

responsable del desarrollo de los sistemas de transporte y de la infraestructura de las

comunicaciones del país.

ASTM (American Society of Testing Materials): La Asociación Americana de Ensayos de

Materiales con sede en Estados Unidos es la encargada de desarrollar y publicar normas

técnicas asociadas a los ensayos de materiales.

NTP (Norma Técnica Peruana): Las NTP son documentos que establecen las

especificaciones o requisitos de calidad para la estandarización de productos, procesos o

servicios. Estas normas adoptan o adaptan Normas Internacionales y son elaborados por

los comités técnicos de Normalización liderados por el INACAL.

INACAL (Instituto Nacional de Calidad). Es un Organismo Público Técnico Especializado

Peruano teniendo como competencias la normalización, acreditación y metrología que

forman parte del Sistema Nacional para la Calidad.

Probeta de concreto: Es el espécimen (muestra) a base de hormigón, cemento, agua y

aditivos que luego de un proceso de preparación es sometido a los ensayos físicos; Esta

muestra es elaborado en un molde metálico calibrado y dejado en reposo por varios días

siguiendo un control y monitoreo antes del ensayo. Son de tipo cilíndrico, vigas o cubos de

diferentes dimensiones.

Page 128: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

110

Transductor/Trasmisor de presión: Dispositivo electrónico que tiene la capacidad de

medir la presión hidráulica/neumática a la cual es sometida dicho trasmisor, las unidades

comunes de medición es, Kpa, Bar, PSI.

PLC (Controlador lógico programable): Un controlador es un autómata que permite

programar una secuencia de pasos (lógica de funcionamiento) para dar movimiento o

control a máquinas tipo electromecánicas, eléctrico y electrónico, así como recibir señales

de diferentes tipos de sensores.

Resistencia: Capacidad de una probeta en soportar una carga axial (vertical) antes de la

falla. El cálculo de resistencia es el cociente de la fuerza aplicada a la probeta entre el área

superficial de dicha probeta. Las unidades típicas son Kg/cm2, KSI y Lbs/In2.

Fuerza: Magnitud física que corresponde al valor de carga vertical aplicada a una probeta

de concreto. Las unidades típicas son Kgf, Lbf y KN.

Ensayo: Realización de un procedimiento acorde a normas nacionales y/o internacionales

con el objetivo de demostrar o estudiar el comportamiento de una muestra.

Trazabilidad: Acción de ubicar documentos referenciales de los patrones usados en los

ensayos y que deben ser indicados en los reportes de ensayo.

Norma: Documento que establece una regla, procedimiento o directriz de una entidad

nacional e internacional para uniformizar las especificaciones técnicas de un ensayo o

procedimiento.

Control de calidad: Es el proceso, ensayo, procedimiento que se realiza siguiendo y

haciendo cumplir las normativas nacionales e internacionales.

Aseguramiento de la calidad: Proceso que consiste en verificar frecuentemente un

ensayo, un procedimiento o un proceso con la intención de asegurar que los procesos se

estén realizando de acuerdo a las normativas vigentes.

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111

ANEXOS

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112

ANEXO A

Certificado de calibración celda patrón

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113

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114

Page 133: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

115

Page 134: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

116

Page 135: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

117

ANEXO B

Variables y programación PLC

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118

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119

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120

Page 139: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

121

Page 140: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

122

ANEXO C

Hoja Técnica Transductor de Presión

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123

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124

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125

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126

Page 145: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

127

ANEXO D

Hoja Técnica del PLC Simatic S7-1200 Siemens

Page 146: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

128

General information

Engineering with

Programming package STEP 7 V10.5 or higher

Display

integrated No

Supply voltage

120 V AC Yes

230 V AC Yes

permissible range, lower limit (AC) 85 V

permissible range, upper limit (AC) 264 V

Line frequency

Frequency of the supply voltage 47 Hz

Frequency of the supply voltage 63 Hz

Load voltage L+

Rated value (DC) 24 V

permissible range, lower limit (DC) 5 V

permissible range, upper limit (DC) 250 V

Input current

Current consumption (rated value) 80 mA at 120 V AC; 40 mA at 240 V AC

Product data sheet 6 ES7212-1BD30-0XB 0

SIMATIC S7-1200, CPU 1212C, COMPACT CPU, AC/DC/RLY, ONBOARD I/O: 8 DI 24V DC; 6 DO RELAY 2A; 2 AI 0 - 10V DC, POWER SUPPLY: AC 85 - 264 V AC AT 47 - 63 HZ, PROGRAM/DATA MEMORY: 25 KB

Page 147: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

129

Current consumption, max. 240 mA at 120 V AC; 120 mA at 240 V AC

Inrush current, max. 20 A ; at 264 V

Encoder supply

24 V encoder supply

24 V Permissible range: 20.4 to 28.8 V

Output current

Current output to backplane bus (DC 5 V), max. 1000 mA ; Max. 5 V DC for SM and CM

Power losses

Power loss, typ. 11 W

Memory

Usable memory for user data 25 kbyte

Usable memory for user data 25 kbyte

Work memory

integrated 25 kbyte

integrated 25 kbyte

expandable No

Load memory

integrated 1 Mbyte

expandable, max. 24 Mbyte ; with SIMATIC memory card

Backup

present Yes ; Entire project maintenance-free in the integral EEPROM

without battery Yes

CPU processing times

for bit operations, min. 0.1 µs ; / Operation

for word operations, min. 12 µs ; / Operation

for floating point arithmetic, min. 18 µs ; / Operation

CPU-blocks

Number of blocks (total) DBs, FCs, FBs, counters and timers. The maximum number of addressable blocks ranges from 1 to 65535. There is no restriction, the entire working memory can be used

Page 148: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

130

OB

Number, max. Limited only by RAM for code

Data areas and their retentivity

retentive data area in total (incl. times, counters, flags), max.

2048 byte

retentive data area in total (incl. times, counters, flags), max.

2048 byte

Flag

Number, max. 4 kbyte ; Size of bit memory address area

Number, max. 4 kbyte ; Size of bit memory address area

Address area

I/O address area

I/O address area, overall 1024 bytes for inputs / 1024 bytes for outputs

Inputs 1024 byte

Inputs 1024 byte

Outputs 1024 byte

Outputs 1024 byte

Process image

Inputs, adjustable 1 kbyte

Inputs, adjustable 1 kbyte

Outputs, adjustable 1 kbyte

Outputs, adjustable 1 kbyte

Hardware configuration

Number of modules per system, max. 3 comm. modules, 1 signal board, 2 signal modules

Time of day

Clock

Hardware clock (real-time clock) Yes

Deviation per day, max. +/- 60 s/month at 25 °C

Backup time 240 h ; Typical

Digital inputs

Number/binary inputs 8 ; integrated

Page 149: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

131

of which, inputs usable for technological functions 4 ; HSC (High Speed Counting)

integrated channels (DI) 8

m/p-reading Yes

Input voltage

Rated value, DC 24 V

for signal "0" 5 V DC at 1 mA

for signal "1" 15 V DC at 2.5 mA

Input current

for signal "1", typ. 1 mA

Input delay (for rated value of input voltage)

for standard inputs

Parameterizable 0.2, 0.4, 0.8, 1.6, 3.2, 6.4, and 12.8 ms, selectable in groups of four

at "0" to "1", min. 0.2 ms

at "0" to "1", max. 12.8 ms

for interrupt inputs

Parameterizable Yes

for counter/technological functions

Parameterizable Single phase : 3 at 100 kHz & 1 at 30 kHz, differential: 3 at 80 kHz & 1 at 30 kHz

Cable length

Cable length, shielded, max. 500 m ; 50 m for technological functions

Cable length unshielded, max. 300 m ; For technological functions: No

Digital outputs

Number/binary outputs 6 ; Relay

integrated channels (DO) 6

Functionality/short-circuit strength No ; to be provided externally

Switching capacity of the outputs

with resistive load, max. 2 A

on lamp load, max. 30 W DC; 200 W AC

Output delay with resistive load

0 to "1", max. 10 ms ; max.

Page 150: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

132

1 to "0", max. 10 ms ; max.

Switching frequency

of the pulse outputs, with resistive load, max. 1 Hz

Relay outputs

Number of relay outputs 6

Number of operating cycles, max. mechanically 10 million, at rated load voltage 100,000

Cable length

Cable length, shielded, max. 500 m

Cable length unshielded, max. 150 m

Analog inputs

Integrated channels (AI) 2

Number of analog inputs 2

Input ranges

Voltage Yes

Input ranges (rated values), voltages

0 to +10 V Yes

Input resistance (0 to 10 V) ≥100k ohms

Cable length

Cable length, shielded, max. 100 m ; twisted and shielded

Analog outputs

Integrated channels (AO) 0

Cable length

Cable length, shielded, max. 100 m ; Shielded, twisted wire pair

Analog value creation

Integrations and conversion time/ resolution per channel

Resolution with overrange (bit including sign), max.

10 bit

Integration time, parameterizable Yes

Conversion time (per channel) 625 µs

Encoder

Connectable encoders

Page 151: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

133

2-wire BEROS Yes

1st interface

Type of interface PROFINET

Physics Ethernet

Isolated Yes

Automatic detection of transmission speed Yes

Autonegotiation Yes

Autocrossing Yes

Functionality

PROFINET IO Controller Yes

Communication functions

S7 communication

supported Yes

as server Yes

Open IE communication

TCP/IP Yes

ISO-on-TCP (RFC1006) Yes

Web server

supported Yes

User-defined websites Yes

Number of connections

overall 15 ; dynamically

Test commissioning functions

Status/control

Status/control variable Yes

Variables Inputs/outputs, memory bits, DBs, distributed I/Os, timers, counters

Forcing

Forcing Yes

Integrated Functions

Number of counters 4

Page 152: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

134

Counter frequency (counter) max. 100 kHz

Frequency meter Yes

controlled positioning Yes

PID controller Yes

Number of alarm inputs 4

Galvanic isolation

Galvanic isolation digital inputs

Galvanic isolation digital inputs No

between the channels, in groups of 1

Galvanic isolation digital outputs

Galvanic isolation digital outputs Yes ; Relay

between the channels No

between the channels, in groups of 2

Permissible potential difference

between different circuits 500 V DC between 24 V DC and 5 V DC

EMC

Interference immunity against discharge of static electricity

Interference immunity against discharge of static electricity acc. to IEC 61000-4-2

Yes

Test voltage at air discharge 8 kV

Test voltage at contact discharge 6 kV

Interference immunity to cable-borne interference

on the supply lines acc. to IEC 61000-4-4 Yes

Interference immunity on signal lines acc. to IEC 61000-4-4

Yes

Surge immunity

on the supply lines acc. to IEC 61000-4-5 Yes

Immunity against conducted interference induced by high-frequency fields

Interference immunity against high-frequency radiation acc. to IEC 61000-4-6

Yes

Emission of radio interference acc. to EN 55 011

Page 153: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

135

Emission of radio interferences acc. to EN 55 011 (limit class A)

Yes ; Group 1

Emission of radio interference acc. to EN 55 011 (limit class B)

Yes ; When appropriate measures are used to ensure compliance with the limits for Class B according to EN 55011

Ambient conditions

Operating temperature

Min. 0 °C

max. 55 °C

vertical installation, min. 0 °C

vertical installation, max. 45 °C

horizontal installation, min. 0 °C

horizontal installation, max. 55 °C

Storage/transport temperature

Min. -40 °C

max. 70 °C

Air pressure

Operation, min. 795 hPa

Operation, max. 1080 hPa

Storage/transport, min. 660 hPa

Storage/transport, max. 1080 hPa

Relative humidity

Operation, max. 95 % ; no condensation

Vibrations

Vibrations 2G wall mounting, 1G DIN rail

Operation, checked according to IEC 60068-2-6 Yes

Shock test

checked according to IEC 60068-2-27 Yes ; IEC 68, Part 2-27 half-sine: strength of the shock 15 g (peak value), duration 11 ms

Climatic and mechanical conditions for storage and transport

Climatic conditions for storage and transport

Free fall

Page 154: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

136

Drop height, max. (in packaging) 0.3 m ; five times, in dispatch package

Temperature

Permissible temperature range -40 °C to +70 °C

Mechanical and climatic conditions during operation

Climatic conditions in operation

Temperature

Permissible temperature range 0 °C to 55 °C horizontal installation 0 °C to 45 °C vertical installation

Permissible temperature change 5°C to 55°C, 3°C / minute

Air pressure acc. to IEC 60068-2-13

Permissible air pressure 1080 to 795 hPa

Permissible operating height -1000 to 2000 m

Pollutant concentrations

SO2 at RH < 60% without condensation S02: < 0.5 ppm; H2S: < 0.1 ppm; RH < 60% condensation-free

Degree and class of protection

IP20 Yes

Standards, approvals, certificates

CE mark Yes

cULus Yes

C-TICK Yes

FM approval Yes

Configuration

programming

Programming language

LAD Yes

FBD Yes

SCL Yes

Cycle time monitoring

adjustable Yes

Dimensions

Width 90 mm

Page 155: Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Programa

137

Height 100 mm

Depth 75 mm

Weight

Weight, approx. 425 g

internTechDB

Characteristics will be deleted after 2012-12-31

Product version

STEP 7 STEP 7 V10.5 or higher

Status Jan 12, 2012